ГлавнаяСвойства минералов, слагающих горные породы, зависят от их химического состава, характера связей между материальными частицами и структуры кристаллической решетки. Как известно, материальные частицы, из которых состоят кристаллы минералов, их обломки и агрегаты, слагающие горные породы, могут быть электрически нейтральными (атомы, молекулы) или заряженными (ионы). При помощи структурных связей эти материальные частицы соединены определенным образом между собой и, геометрически правильно располагаясь в пространстве, образуют кристаллическую решетку минералов.
Структурные связи в кристаллах минералов обусловлены межатомными силами. Они неодинаковы между различными частицами. Выделяют четыре основных типа структурных связей — ионные, ковалентные, металлические и молекулярные. Ковалентные связи отличаются от ионных значительно большей прочностью, металлические слабее, чем ионные, а молекулярные — наиболее слабые. Минералы могут иметь структуры со связями только одного типа (гомодесмические соединения), но наиболее распространены минералы с двумя и более типами связей (гетеродесмические соединения).
Химический состав материальных частиц и структура минералов взаимно связаны, так как каждое сочетание материальных частиц может иметь при данных условиях образования минералов лишь определенную структуру.
Из всех основных типов кристаллических структур минералов (табл. II-9) наибольшую плотность упаковки частиц в кристаллической решетке имеют координационные и островные, а кольцевые несколько меньшую. Цепочечные минералы имеют более рыхлую, а слоистые и каркасные еще более рыхлую кристаллическую решетку. Кристаллические решетки минералов могут иметь те или иные несовершенства (дефекты), от которых в значительной степени зависят свойства минералов. Известно, например, что механическая прочность минералов фактически меньше возможной их теоретической прочности. Наличие различных дефектов в кристаллической решетке минералов способствует их деформации и разрушению под влиянием внешних усилий.Различают следующие основные типы несовершенства кристаллической решетки минералов.
1. Вакансии, или «дырки», т. е. не занятые атомами узлы кристаллической решетки.
2. Замещающие атомы — атомы чужеродного вещества, отличающиеся размерами и свойствами от атомов основного вещества,— занимают узлы кристаллической решетки.
3. Внедренные атомы — атомы чужеродного или основного вещества, расположенные в междуузлиях кристаллической решетки.
4. Искажения (дислокации) правильного расположения атомов в кристаллической решетке как результат микропластических деформаций вдоль параллельных поверхностей (трансляции).
5. Двойникование, т. е. перемещение части кристалла как одного целого в иное сравнительно с первоначальным положение, симметричное относительно некоторых плоскостей решетки неподвижной части кристалла.
6. Включения в минералах инородного вещества в виде тонкораспыленных частиц или пузырьков воды и газов.
7. Прокладки минералов другого вида внутри кристаллического индивида.
Могут быть и другие изменения в строении минералов вплоть до полного их разрушения, перекристаллизации и т. п. под влиянием различных факторов — выветривания, литификации, метаморфизма, тектонических движений и др.
Устойчивость минералов против выветривания, как и ряд других свойств (растворимость, прочность, твердость и др.), определяется суммарной энергией их кристаллической решетки. Как известно, каждый ион обладает каким-то количеством энергии, которая при образовании кристаллической решетки минералов, при сближении ионов, освобождается. На разрушение минералов должно быть затрачено такое же количество энергии, какое выделилось при их образовании. Чем больше энергии затрачено на разрушение кристаллической решетки, тем большей энергией обладает это вещество, тем выше его сопротивляемость разрушению.
Энергия кристалла и его свойства зависят от числа ионов, определяющих состав вещества, их размера R, валентности W и в ряде случаев поляризационных свойств. По А.Е, Ферсману, количество энергии, выделяемое ионом при образовании кристалла, примерно равно W2/(2R). Эту величину он назвал энергетическим коэффициентом — эк; эк — это доля энергии, которую вносит в решетку каждый ион.
Катионы выносятся из кристаллической решетки минералов тем быстрее и энергичнее, чем меньше их энергетический коэффициент. Так, К и Na с эк = 0,36 и эк = 0,45 выносятся раньше, чем Ca (эк = 1,75), а последний раньше, чем Mg (эк = 2,10).
Расчет суммарной энергии решетки минералов разные авторы ведут по-разному. Каждый исходит из своего представления о строении решетки минерала, о его составе, формах связей, комплексных формах кремнезема и т. д. Поэтому в настоящее время имеются только приближенные данные о суммарной энергии кристаллов минералов и их не считают точными константами. Тем не менее эти приближенные данные хорошо подтверждают наблюдения о стойкости минералов. В табл. II-10 приведены данные об энергии решеток минералов, заимствованные из работы И.И. Гинзбурга.
Стойкость минералов против выветривания зависит не только от расчетной суммарной их энергии, но и от строения самой решетки. Как указывает И.И. Гинзбург, силикаты с каркасной структурой, построенные по мотиву структуры кварца, разлагаются труднее, чем построенные по мотиву тридимита (полевые шпаты и нефелин), островные силикаты типа оливина разлагаются легче, чем цепочечные типа пироксена и авгита. Труднее разлагаются упорядоченные слоистые силикаты, легче — неупорядоченные. Для неслоистых силикатов отмечается усиление прочности энергии связи с увеличением содержания SiO2. Минералы, содержащие закись железа, например биотит, быстрее разрушаются, так как при выветривании происходят быстрое окисление железа, выделение тепла и расшатывание решетки.На основе имеющихся в настоящее время данных устойчивость минералов против выветривания можно охарактеризовать следующим образом. Весьма устойчивым против выветривания из главнейших породообразующих минералов является кварц менее устойчивыми — мусковит, ортоклаз, микроклин; умеренно устойчивыми — натриево-кальциевые полевые шпаты — кислые плагиоклазы (альбит, олигоклаз), амфиболы (роговая обманка), пироксены (авгит), кальцит. Малоустойчивыми являются кальциево-натриевые полевые шпаты — основные плагиоклазы (анортит), фельдшпатиды (лейцит, нефелин), оливин, биотит, гипс. Из акцессорных породообразующих минералов весьма устойчивы циркон, гранат, турмалин, корунд, топаз, андалузит, ставролит, рутил, шпинель, флюорит, монацит; менее устойчивы — магнетит, ильменит; неустойчивы — пирит, пирротин, гематит, апатит, глауконит.
Естественно, что если различные породообразующие минералы неодинаково устойчивы против выветривания, то это сказывается и на устойчивости горных пород. При прочих равных условиях окружающей среды устойчивость горных пород против выветривания зависит от их минерального состава, т. е. от ассоциации слагающих минералов. Полевошпатовые породы выветриваются быстрее бесполевошпатовых, за исключением растворимых пород (известняки, гипс и др.). Из полевошпатовых пород легче выветриваются те, которые содержат полевые шпаты, бедные кремнеземом и более богатые известью. Поэтому граниты, гнейсы, сиениты и порфиры, содержащие олигоклаз, выветриваются быстрее, чем породы, содержащие только ортоклаз. Породы, содержащие лабрадор, выветриваются быстрее олигоклазовых. Породы с полевыми шпатами, кварцем и слюдой выветриваются быстрее, чем те же породы, но малослюдистые или совсем без слюды.
Из слюдистых пород легче выветриваются те, которые содержат магнезиальные темные слюды, чем породы, содержащие светлую калиевую слюду. Породы с лабрадором или анортитом и известковой роговой обманкой сопротивляются выветриванию меньше, чем породы с олигоклазом и магнезиальной роговой обманкой, бедной известью. Породы с известковистым авгитом выветриваются быстрее пород, содержащих известковистую роговую обманку.
Среди плагиоклазовых пород более устойчивыми являются диориты, затем габбро и диабазы, менее устойчивыми — базальты. Среди пород, не содержащих полевые шпаты, скорее выветриваются породы слюдистые, а из них те, которые содержат биотит, а не мусковит. За слюдистыми по скорости выветривания следуют хлоритовые, затем тальковые. При прочих одинаковых условиях чешуйчатые алюмо- и ферросиликаты (слюды, хлориты) выветриваются быстрее других, темноцветные силикаты раньше светлых, кислые породы труднее основных.
При оценке состояния измененности пород необходимо обращать внимание также на свежесть полевых шпатов (помутнение, растрескивание), их серицитизацию, каолинизацию, эпидотизацию, хлоритизацию, серпентинизацию, а также на характер распределения (равномерное или неравномерное) неустойчивых минералов в породе. Все это позволит дать качественную оценку строительных свойств горных пород, оценить их склонность к разрушению при выветривании.
Минеральным составом горных пород определяется плотность их минеральной части, так как она является средневзвешенной плотностью минералов, их слагающих. Плотность основных породообразующих минералов приведена в табл. II-11.
Из табл. II-11 видно, что плотность основных породообразующих минералов скальных и полускальных горных пород изменяется в основном от 2,50 до 3,10—3,20 г/см3. Легкие минералы с плотностью менее 2,50 г/см3 в составе этих пород немногочисленны, так же как и минералы тяжелые, с плотностью более 4,00 г/см3.Плотность минералов определяется их химическим составом и особенностями строения кристаллической решетки. Она тем выше, чем больше в их составе тяжелых атомов. При этом оказывают влияние также радиус атомов и их валентность. Увеличение размера атомов снижает, а уменьшение валентности повышает плотность минералов. Например, плотность кальцита 2,6—2,8 г/см3, а сидерита — 3,9 г/см3; увеличение плотности связано с заменой Ca (относительная атомная масса 40, радиус 1,06) на более тяжелый Fe (относительная атомная масса 56, радиус 1,26). Здесь основное значение имеет относительная атомная масса.
У плагиоклазов плотность изменяется от 2,64 (альбит) до 2,74 г/см3 (анортит) также в основном в связи с заменой Na (относительная атомная масса 23, радиус 0,98) па более тяжелый Ca. Если сравнивать альбит с ортоклазом, то наблюдается уменьшение плотности от 2,64 (альбит) до 2,56 г/см3 (ортоклаз). Здесь хотя и происходит замена Na (относительная атомная масса 23) на более тяжелый К (относительная масса 39), но радиус К (1,33) значительно превосходит радиус атома Na (0,98). По той же причине плотность сильвина (1,98 г/см3) меньше, чем галита (2,17 г/см3).
Из этих примеров видно, что размеры атома в ряде случаев имеют большое значение. Большое влияние на плотность минералов оказывает структура кристаллической решетки. Например, кальцит и арагонит имеют одинаковый химический состав, а плотность их разная — соответственно 2,71—2,72 и 2,9— 3,0 г/см3, что связано с более плотной упаковкой атомов в решетке арагонита. Другим характерным примером являются графит и алмаз, имеющие также одинаковый химический состав, но плотность их соответственно равна 2,2 и 3,5 г/см3, что связано с разным строением кристаллической решетки.
Таким образом, чтобы понять причины изменения плотности горных пород, надо изучать их минеральный и химический состав.
Минеральный состав оказывает влияние также на прочность и твердость скальных и полускальных горных пород. Следует учитывать, что прочность и твердость минералов — это не то же, что прочность и твердость горных пород, представляющих собой агрегат, состоящий из различных минералов. Обычно прочность и твердость минералов значительно выше, чем горных пород.
Твердость характеризуется сопротивлением, оказываемым телом при проникновении в него другого тела, т. е. твердость — это прочность на вдавливание. Следовательно, прочность есть общее свойство тела, а твердость — частный случай проявления прочности. В минералогии при характеристике твердости обычно пользуются шкалой твердости Мооса, которая выражает закономерность изменения твердости ряда минералов (10 минералов), причем каждый последующий минерал царапает все предыдущие. При непосредственном исследовании твердости минералов методом вдавливания установлено, что изменения в твердости между соседними минералами шкалы твердости Мооса велики.
Большинство породообразующих минералов обладает высокой прочностью и при воздействии на них внешней нагрузки ведет себя как упругие и хрупкие тела, не проявляет никаких остаточных деформаций и разрушается при напряжениях, достигающих предела упругости. В отличие от горных пород они обладают высокими значениями показателей упругих свойств (табл. II-12), существенно не зависящих от вида деформаций и приложенной нагрузки.Сжимаемость минералов характеризуется модулем всестороннего сжатия и коэффициентом объемного сжатия (см. гл. III). Из табл. II-12 видно, что модуль всестороннего сжатия у кварца меньше, чем у полевых шпатов. Амфиболы, пироксены и особенно оливин и гранаты имеют резко повышенное значение модуля объемного сжатия. Следовательно, кварц более сжимаем, чем многие другие породообразующие минералы. Коэффициент объемного сжатия минералов изменяется от (0,2/0,8)*10в-5 до (3,2/6,4)*10в-5 МПа (табл. II-13).
Сжимаемость минералов зависит от типа структурных связей и структуры их кристаллической решетки. Минералы с ковалентными и ионными связями, имеющие более плотную структуру — координационную и островную, — слабосжимаемы. Минералы гетеродесмические, имеющие молекулярные связи между слоями, цепочками и кольцами кремнекислородиых тетраэдров, т. е. более рыхлые структуры (цепочечные, слоистые и каркасные), сжимаются сильнее.У многих породообразующих минералов четко выражена механическая анизотропность. Хорошо известно, например, влияние спайности у слюд, полевых шпатов и других минералов на уменьшение сопротивления их разрушению. На рис. II-2 показано влияние анизотропии на изменение прочности кристалла галита (поваренной соли) при испытании его на растяжение в разных направлениях. Значительную анизотропность имеет кварц. В зависимости от того, к какой грани приложено сжимающее усилие, его модуль упругости характеризуется следующими шестью значениями, МПа: 86800, 7 100, 14400, 17200, 107 500 и 58 200. Крайние значения модуля упругости у кварца могут различаться между собой более чем в 15 раз.
Известны исследования сопротивления сдвигу некоторых минералов. Для этой цели из минералов вырезали пластинки размером 5х5х2 см, рабочие поверхности которых шлифовали. Коэффициент трения изучался в сдвиговом приборе на двух пластинках одного и того же минерала (например, сдвигали кварц по кварцу) в воздушно-сухом и в смоченном водой состоянии (табл. II-14).
Данные табл. II-14 показывают, что разные минералы при сдвиге ведут себя по-разному. Первые пять минералов, имеющие каркасный и островной тип структуры кристаллической решетки, при смачивании водой увеличивают коэффициент трения в 3—5 раз, а остальные семь минералов, имеющие слоистый тип кристаллической решетки, при смачивании, наоборот, снижают коэффициент трения в 1,5—2 раза. Следовательно, если поверхности или зоны ослабления в скальных и полускальных породах будут иметь скопления или примазки таких слоистых минералов, то при увлажнении по этим поверхностям и зонам скорее может произойти нарушение устойчивости и прочности пород.Выше было отмечено, что вещественный состав осадочных пород определяется не только минеральным составом обломков пород и минералов, их слагающих, но также составом примесей и цемента. Наличие примесей имеет наиболее важное значение для карбонатных пород, а состав цемента — для пород обломочных сцементированных. Так, например, карбонатные породы кроме основных породообразующих минералов — кальцита, доломита и других карбонатов — часто содержат примесь кремнезема, глинистого вещества, гипса и др. Примеси кремнезема в известняках понижают их растворимость и повышают прочность. Поэтому кремнистые известняки плотного сложения, обычно очень прочные и устойчивые, классифицируются как породы скальные.
Глинистое вещество в известняках повышает при увлажнении их размягчаемостьу понижает прочность, хотя несколько затрудняет растворимость. По мере увеличения содержания глинистого вещества известняки переходят в карбонатно-глинистые породы, т. е. глинистые известняки, мергели и т. д. Все эти разности относятся уже к полускальным породам. Примесь доломита обычно повышает строительные качества известняков, так как при этом понижается их растворимость и повышается прочность. Примеси и включения гипса, ангидрита и других простых легкорастворимых солей в карбонатных породах всегда вызывают тревогу, если такие породы служат основанием или средой для проектируемых сооружений.
Важнейшей составной частью обломочных сцементированных пород является цемент. Обломочные породы с кремнистым цементом наиболее прочны и устойчивы против выветривания. Сравнительно высокой прочностью обладают обломочные породы с карбонатным и железистым цементом. Поэтому различные конгломераты, брекчии и особенно песчаники и алевролиты с кремнистым, карбонатным или железистым цементом, имеющие массивное сложение (сливные песчаники и алевролиты), относятся к скальным породам. Конгломераты, песчаники и алевролиты с глинистым, гипсовым или другими слабыми цементами относятся к полускальным породам, они имеют пониженную прочность и водонеустойчивы.
При оценке обломочных сцементированных пород имеет значение и тип цементации. Породы с базальным (основным) и поровым цементом обладают большей прочностью, устойчивостью, менее влагоемки и более морозоустойчивы по сравнению с породами, имеющими контактовый тип цементации (цемент соприкосновения).
На устойчивость и прочность скальных и полускальных пород существенное влияние оказывают также их структура и текстура. В магматических и отчасти метаморфических породах структура характеризуется главным образом: 1) степенью кристалличности породы (полиокристаллические, порфировые, скрытокристаллические и стекловатые), 2) абсолютным размером кристаллов, слагающих породу (крупнозернистые, среднезернистые, мелкозернистые, афанитовые — скрытокристаллические, стекловатые), и 3) относительным размером кристаллов, слагающих породу (равномернозернистые, неравиомернозернистые, порфировые и др.).
Наиболее прочны и устойчивы породы, имеющие полнокристаллическую равномерно-среднезернистую или мелкозернистую структуры. Породы крупнозернистые, грубозернистые, гигантозернистые более податливы к разрушению как при механическом воздействии, так и при резких изменениях температуры. Крупные кристаллы с выраженной спайностью в крупнозернистых, порфировидных и других породах легко раскалываются, выветриваются и выкрашиваются из породы, нарушая ее монолитность. Стекловатые породы быстро растрескиваются при резких изменениях температуры.
Среди осадочных карбонатных пород наиболее устойчивы и прочны кристаллические известняки и доломиты с равномерной средне- и мелкозернистой структурами, а из обломочных сцементированных — породы псаммитовой равномерно-среднезернистой, мелкозернистой и алевритовой структур, прочно сцементированные. Породы псаммитовые крупно- и грубозернистые, а также псефитовые легче выветриваются и разрушаются. Слабыми являются карбонатные породы с оолитовой, органогенной, детритовой, туфовидной структурами. Все эти породы относятся к группе полускальных.
Текстура горных пород определяется пространственным расположением слагающих ее компонентов и степенью сплошности — монолитности. Породы массивного сложения, массивной текстуры обычно отличаются большей устойчивостью против выветривания и меньшей анизотропией в отношении механических свойств. Породы слоистые, сланцеватые, с флюидной или беспорядочной текстурой, пузырчатые, ноздреватые, легче разрушающиеся при выветривании и воздействии внешних усилий, более анизотропны в отношении механических и водных свойств.
Изучение состава и строения горных пород производится на образцах. Образцы могут характеризовать определенные типы и разности горных пород, а также полный разрез их толщи в пределах строительной площадки, участка и т. д. Исследования должны быть комплексными, т. е. состав, строение и физико-механические свойства пород должны определяться по одним и тем же образцам — пробам пород, отобранным с одних и тех же участков, глубин и т. д. Изучению физико-механических свойств пород должно предшествовать их петрографическое исследование, т. е. определение состава, структуры и текстуры.
Физико-механические свойства горных пород зависят от свойств породообразующих минералов и строения горной породы в целом. Прочностные, деформационные и другие свойства породы обычно ниже, чем свойства слагающих ее минералов: горная порода всегда имеет пористость, микротрещиноватость и другие «дефекты» — зоны и поверхности ослабления, явные или скрытые. Поэтому при анализе результатов изучения физико-механических свойств горных пород понять и объяснить причины, их обусловившие, можно только исходя из анализа геологических и петрографических особенностей пород, учитывая при этом степень их выветрелости, структурные особенности, условия залегания (например, в пределах пологого или крутого крыла складки) и другие факторы. Методы петрографических исследований и изучения физико-механических свойств горных пород приводятся в специальных руководствах.