Классификация горных пород

В зависимости от условий формирования все горные породы разделяются на три генетических типа: магматические, осадочные и метаморфические. Магматические (изверженные) образовались из застывшей в недрах земли или на ее поверхности магмы. Они представляют собой типичные высокотемпературные образования. Осадочные образовались в результате накопления и преобразования продуктов разрушения ранее возникших горных пород, остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности. Образование осадочных горных пород происходит на поверхности земли при обычных температурах и нормальном давлении, главным образом в водной среде. Метаморфические образовались на больших глубинах за счет изменений (метаморфоз) осадочных и магматических пород под действием различных эндогенных процессов (высоких температур и давления, газообразных веществ, выделяющихся из магмы и т.д.).

Горные породы различаются между собой по следующим признакам:

1) условиям залегания в земной коре;

2) химическому и минеральному составу;

3) структуре.

Количество расположенных горных пород в земной коре неодинаково. Основную ее массу (95 %) до глубины 16 км составляют магматические и метаморфические породы, значительная площадь которых с поверхности покрыта тонким слоем осадочных пород. Последние покрывают около 75 % земной поверхности и только 25 % ее площади приходится на долю метаморфических и магматических пород.

Магматическиепороды образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из земных глубин и отвердевшей при остывании. В зависимости от условий застывания исходных расплавов магматические горные породы разделяются на глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные). Глубинными называют породы, образовавшиеся в глубине земной коры в условиях медленного охлаждения. Они отличаются хорошей закристаллизованностью и, как правило, состоят из тесно сросшихся и достаточно крупных кристаллов. Поэтому они обладают большой плотностью, высокой прочностью и морозостойкостью. Все это обусловливает высокие строительные свойства интрузивов. Их применяют для изготовления облицовочных плит, лестничных ступеней, полов, бутового камня, щебня и т.д.

Излившиеся породы образовались при застывании лавы в верхних слоях земной коры. В результате быстрого охлаждения лавы они не отличаются хорошей закристаллизованностью и состоят из отдельных хорошо закристаллизованных кристаллов, вкрапленных в основную скрытнокристаллическую массу. Наиболее распространены среди них порфиры. Состав и свойства излившихся пород такие же, как и у глубинных, но структура их неполнокристаллическая с обилием аморфного стекла, неоднородной текстурой.

К магматическим горным породам относятся: габбро, базальт, диабаз, диорит, порфириты, сиениты, граниты, липариты, кварцевые порфиры, пегматиты, лабрадориты, туфовые лавы.

Осадочныепороды сформировались на поверхности земли в условиях относительно низких температур и атмосферного давления. Они возникли в результате разрушения других, ранее образовавшихся пород; из продуктов выпадения из водной и воздушной среды материалов любого происхождения, а также из продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов. По характеру образования и составу осадочные горные породы делят на три группы:

1) обломочные – осадки механического происхождения;

2) хемогенные – осадки химического происхождения;

3) органогенные – осадки биохимического происхождения.

Породы обломочного происхождения являются продуктами механического разрушения каких-либо материнских пород и сложены преимущественно обломками устойчивых к выветриванию минералов и пород. Они бывают рыхлые (гравий, песок, глина) и сцементированные – те же рыхлые осадки, частицы которых склеены природным цементом (брекчии, конгломераты, песчаники).

Хемогенные породы образовались в результате выпадения из водных растворов различных веществ в виде химических осадков с последующим их уплотнением и цементизацией. К ним относятся карбонатные породы (известняк, магнезит, доломит, известковый туф) и сульфатные (гипс, ангидрит).

Органогенные (биогенные) породы образовались при непосредственном или косвенном участии организмов, способных извлекать из растворов или морских вод необходимые для их жизнедеятельности соединения и концентрировать их в твердых частях тела. К ним относятся некоторые разновидности плотных известняков, известняк-ракушечник, мел, диатомиты, опоки, трепелы.

Осадочные породы разнообразны по составу, структуре и физико-механическим свойствам. В отличие от вулканических пород они менее однородны, залегают пластами, имеют слоистое строение, что отрицательно сказывается на строительно-технических свойствах получаемых из них природных каменных материалов. Большинство осадочных пород имеет более пористое строение, чем плотные магматические породы, а следовательно и меньшую прочность. Для производства нерудных строительных материалов наиболее широко применяются известняки, доломиты, песчаники, а также рыхлые породы – гравий, песок, глина.

Метаморфическиепороды образовались под воздействием высоких температур и давления, химически активных газообразных веществ и горячих растворов, циркулирующих в породах. Результат такого воздействия – изменение структурных и текстурных свойств, а иногда и химического состава пород. Метаморфизироваться могут как магматические, так и осадочные породы. Метаморфические породы более плотны, чем исходные осадочные. В большинстве случаев они имеют слоистую структуру, что снижает строительно-технические свойства получаемых из них природных каменных материалов. Наиболее широкое применение в строительстве и архитектуре имеют гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты, мрамор.

На рис. 26 приведена общая классификация горных пород.

2.2.3. Важнейшие горные породы, применяемые
в строительстве и архитектуре

Граниты – широко распространенные в природе кислые породы, содержащие 65–75 % SiO₂. В их состав входит полевой шпат, кварц и темноцветные минералы (биотит, роговая обманка), которые сообщают светло-серую или красную окраску этим породам. Прочность при сжатии у них колеблется от 100 до 250 МПа, плотность 2500–2800 кг/м³. Они являются малопористыми породами, обладают низким водопоглощением, высокой морозостойкостью и сопротивляемостью истиранию, сравнительно легко поддаются механической обработке. Из всех вулканических пород граниты наиболее широко используются в строительстве, так как они являются самой распространенной из интрузивных пород. Их применяют для изготовления облицовочных плит цокольных этажей зданий, лестничных ступеней и полов, бордюрных камней, при строительстве мостов, гидротехнических сооружений, в качестве щебня для бетона, бутового камня при устройстве фундаментов зданий.

Сиениты – отличаются от гранитов тем, что не содержат свободный кварц, поэтому содержание SiO₂ в них меньше. Они являются средними породами. Внешне сиениты напоминают граниты, но в них менее отчетливо выражена зернистость структуры и их окраска более темная. Из-за отсутствия кварца они являются более мягкими и одновременно более вязкими породами вследствие значительного содержания роговой обманки. Сиениты окрашены обычно в серые, розовые и зеленоватые тона. Встречаются сиениты значительно реже, чем граниты, что снижает их значение как строительного камня.

Диориты– зернистые массивные породы, среднего состава, состоят из плагиоклазов и роговой обманки. Окраска – темно-серая, темно-зеленая до черной. Они характеризуются высокой прочностью при сжатии (180–300 МПа), повышенной плотностью и ударной вязкостью, хорошей полируемостью и стойкостью против выветривания. Эти свойства позволяют использовать диориты в качестве материалов, противодействующих различным вибрационным воздействиям (подпорные камни, фундаменты мостовых сооружений и др.), а также применять как ценный декоративный материал [32].

Габбро – основные породы, состоящие из полевых шпатов, авгита и оливина. Это тяжелые породы с плотностью около 3100 кг/м³ и прочностью при сжатии 200–280 МПа, отличающиеся высокой вязкостью, которая затрудняет их обработку. Структура габбро гранитная, преимущественно крупнозернистая, цвет серый, темно-зеленоватый, коричево-зеленый или черный. Применяются для покрытий дорог, облицовки, в производстве щебня.

Базальты и диабазы – излившиеся аналоги габбро, отличающиеся от последних своими структурными и текстурными особенностями. Базальты представляют собой черную плотную застывшую лаву, находящуюся в скрытокристаллическом или аморфном состоянии. Большая твердость и хрупкость базальтов затрудняет их обработку. Прочность варьируется в широких пределах от 110 до 500 МПа и в связи с большим содержанием стекла может резко падать. Базальты используют для дорожных покрытий, для мощения откосов набережных, в качестве щебня для бетона, а также как сырье для каменного литья. Литой камень базальтин используют для получения отделочных изделий, труб, кислотоупорной химической аппаратуры.

Диабазы имеют скрытокристаллическую структуру, характерную тем, что промежутки между переплетенными кристаллами плагиоклаза заполнены мелкозернистой авгитовой массой. Цвет меняется от зеленого до зеленовато-серого. Диабазы отличаются значительной вязкостью, высокой прочностью при сжатии (от 300 до 450 МПа), имеют средние значения твердости и обрабатываемости и хорошо полируются. Они обладают малой истираемостью, поэтому используются для дорожных покрытий, в качестве отделочного материала и сырья для каменного литья.

Лабрадориты– породы из семейства габбро, составной частью которых является минерал лабрадор, обладающий характерной для него иризацией – яркими переливами цветов: синего, голубого, зеленого, золотистого и др. Благодаря этому лабрадориты являются ценным декоративным и облицовочным материалом.

Вулканические туфы – пористые породы, образовавшиеся в процессе уплотнения вулканического пепла. Кроме последнего в их состав входят кремнезем, глина и продукты разложения пепла. Они различны по строению и характеризуются непостоянными физико-механическими свойствами. Наиболее уплотненными вулканическими туфами, содержащими повышенное количество растворимого кремнезема, являются трассы, используемые в качестве декоративных добавок к цементу.

Туфовые лавы – образовались при быстром вспенивании изливающихся лав при резком падении давления и одновременном примешивании к ней разнообразного вулканического материала. Как и вулканические туфы, они обладают большой пористостью и стекловатой структурой. Крупное месторождение туфовой лавы находится в Армении – так называемый артикский туф. Он имеет розовато-фиолетовый цвет различных оттенков и обладает высокой морозостойкостью, малой теплопроводностью, легко обрабатывается, но не полируется. Из туфовой породы выпиливают камни правильной формы для кладки и облицовки стен, а отходы от ее разработки используют в качестве бутового камня и заполнителя в легких бетонах.

Пески – мелкообломочные рыхлые осадочные горные породы, состоящие из округлых и угловатых зерен (песчинок) различных минералов и обломков пород размером 0,16–5 мм. Пески состоят преимущественно из кварца, наиболее устойчивого к химическому выветриванию минерала. Присутствуют также полевые шпаты, слюды, амфиболы. Вредной примесью к пескам являются глинистые и пылеватые фракции (0,05–0,005мм). При оценке качества песка как строительного материала учитывают его минеральный и зерновой составы, пористость, коэффициент фильтрации и др. Истинная плотность песков составляет 2,64 г/см³, насыпная – около 1200 кг/м³. Они служат главным сырьем для получения керамики, стекол, бетонов, растворов, силикатных автоклавных материалов, для дорожных покрытий [33].

Песчаники– образуются путем цементации зерен песка при просачивании через них разнообразных минеральных растворов. Их прочность, определяемая видом природного цемента, характером его сцепления с зернами песка, плотностью породы колеблется в пределах от 1 до 150 МПа. Наиболее прочными из них являются кремнистые песчаники, малопрочными – глинистые. Их применяют для получения стенового и бутового камня, щебня, а также декоративно-отделочного материала.

Глинистые породы – состоят более чем наполовину из мельчайших (менее 0,01–0,001 мм) чешуеобразных частиц глинистых минералов. Глины образуются при выветривании полевошпатовых и некоторых других силикатных пород и состоят преимущественно из глинистых минералов типа каолинита, монтмориллонита и гидрослюд. Большинство глин – полиминеральные, однако среди них имеются наиболее ценные мономинеральные, в частности, каолинитовые. Полиминеральные глины – сырье для производства кирпично-черепичных изделий, грубой керамики, глинозема, огнеупоров и т.д. Каолинитовые (белые) глины представлены в основном минералом каолинитом. Они используются в производстве фарфорофаянсовых изделий, цемента, шамота.

Известняки – состоят главным образом из кальцита (СаСО₃). Они образовались в результате химического осаждения в естественных водоемах осадков карбоната кальция. Некоторые известняки имеют биогенное происхождение. В зависимости от текстуры плотность известняков изменяется в пределах 2600–2000 кг/м³. Окраска их разнообразна: белая, серая, желтоватая – до черной в зависимости от примесей. Большое содержание в известняках глин и пирита ухудшает их строительные свойства. Так, при содержании глины более 3 % известняки становятся недостаточно морозостойкими. В зависимости от относительного содержания кальцита известняки бывают чистыми (не менее 98 % СаСО₃) и мергелистыми (СаСО₃ до 90 %). Плотные известняки применяют для изготовления плит и фасонных деталей для облицовки стен, лестничных ступеней, подоконников, цоколей и карнизов; плиты неправильной формы применяют для бутовой кладки, а также для приготовления щебня в производстве бетона. Используют также известняки в производстве портландцемента и воздушной извести. Пористые известняки легко поддаются распиловке на штучный камень определенных размеров, используются для кладки стен и перегородок. Известняк-ракушечник широко применяется в качестве отделочного материала.

Магнезиты – светлоокрашенные породы, состоящие из минерала магнезита (MgCO₃). Прочность и плотность их выше, чем у известняков, но в природе они встречаются реже. Магнезиты являются сырьем для производства огнеупорных изделий, а также для изготовления минеральных вяжущих (каустического магнезита) и изделий на их основе.

Доломиты – состоят из минерала доломита, представляющего собой двойной карбонат кальция-магния (СаСО₃∙MgCO₃). По структуре и свойствам они близки к плотным известнякам. Окрашены в белый, серый и желтый цвета. При выветривании доломиты покрываются рыхлым желтовато-серым налетом (доломитовой мукой). Камневидные доломиты характеризуются плотностью от 2700 до 2900 кг/м³ и прочностью при сжатии 60–150 МПа. Они более твердые и плотные породы, чем известняки. Доломиты применяют наравне с известняками как строительный камень (плиты, бут, щебень) и сырье для производства каустического доломита и доломитовой извести, а также при получении огнеупоров и теплоизоляционных материалов, стекла и т.п.

Мергели – представляют собой природную тонкую механическую смесь известняка и глины в разных соотношениях. Содержание СаСО₃ в них колеблется от 25 до 75 %. Мергели – тонкозернистые, однородные по структуре, желтые, серые, темно-серые, неустойчивые к химическому выветриванию породы с физико-химическими свойствами, зависящими от содержания глины. Плотность 1900–2500 кг/м³, а предел прочности при сжатии – 60 МПа. Мергели являются лучшим сырьем для производства цементов.

Метаморфические сланцы – образуются из магматических или осадочных пород путем метаморфизации. Наиболее сильно изменяются глины, которые уже при слабом влиянии метаморфизма превращаются в глинистые сланцы, а с дальнейшим его усилением претерпевают полную перекристаллизацию и переходят в филлиты – темно-серые и красноватые тонкосланцеватые породы. Глинистые сланцы – твердая глинистая порода сланцеватого сложения, образовавшаяся из сильно уплотнившихся и частично перекристаллизовавшихся глин под влиянием большого давления. Они значительно тверже глин, не размокают в воде – при нахождении в ней они не переходят в пластическое состояние. Состоят сланцы из очень мелких глинистых частиц, а также листочков слюды, мелкой пыли, полевых шпатов, зерен кварца и других минералов; цвет имеют преимущественно темно-серый; легко раскалываются на тонкие ровные пластинки и, обладая достаточной плотностью, твердостью и водостойкостью, применяются как долговечный кровельный материал.

Гнейсы – светлоокрашенные серые, красноватые и других оттенков кристаллически-зернистые породы. По минеральному составу сходны с гранитами, из которых они образовались в результате перекристаллизации под большим давлением. Гнейсы имеют так называемое сланцеватое строение, причем составляющие их минералы вытянуты в направлении, перпендикулярном направлению давления, что придает им красивую полосатую текстуру. По плотности и прочности в направлении, перпендикулярном сланцеватости, гнейсы мало отличаются от гранитов. Сланцеватость облегчает добычу и обработку гнейсов, но уменьшает их прочность вдоль слоев и стойкость против выветривания. Гнейсы сравнительно легко раскалываются по плоскостям сланцеватости и могут расслаиваться при попеременном замораживании и оттаивании. Они являются самыми распространенными метаморфическими породами, их используют в виде облицовочных плит, для кладки фундаментов, в качестве мостильного и бутового камня.

Кварциты – метаморфическая разновидность кремнистых песчаников с перекристаллизованными зернами кварца, которые срослись между собой так, что цементирующее вещество неразличимо. Они имеют цвет белый, желтый, серый или, в зависимости от примесей, красный, фиолетовый, темно-вишневый. Кварциты хорошо противостоят выветриванию, имеют предел прочности при сжатии 100–400 МПа при плотности 2800–3000 кг/м³. Они отличаются слабым сцеплением с вяжущими, большой хрупкостью и трудно обрабатываются; имеют высокую огнеупорность, кислото- и щелочестойкость. Применяют их обычно в особо ответственных местах зданий и сооружений, например, для изготовления подферменных камней в мостах, для наружной облицовки в виде тесаного камня и облицовочных плит (красивые разновидности кварцитов – прекрасный декоративный и облицовочный материал); иногда из кварцитов изготовляют ступени лестниц. Кварциты используют также в виде бутового камня и щебня, они являются сырьем для производства огнеупорных (динасовых) изделий.

Мраморы – образовались из известняков (реже из доломитов) под влиянием высокой температуры и под действием огромных давлений в толще земной коры, вызвавших их перекристаллизацию. К главным породообразующим минералам относятся кальцит и доломит с возможными примесями кварца. Мраморы бывают белые, розовые, желтые, красные, черные и других цветов (в зависимости от примесей), в них часто имеются прожилки и узоры. Плотность 2600–2800 кг/м³, прочность при сжатии 100–120 МПа. Мраморы хорошо обрабатываются – пилятся, шлифуются и полируются.

Основная область применения мраморов – внутренняя отделка. Используют их в качестве декоративных и облицовочных материалов; из них изготовляют плиты для внутренней отделки зданий, плитки для полов, лестничные ступени, подоконные доски и другие изделия. При этом следует учитывать, что многие разновидности мрамора имеют сравнительно высокую истираемость, что ограничивает их применение для покрытий пола.

Мраморную крошку применяют при приготовлении цветных штукатурок, облицовочного декоративного бетона, мозаичных полов. Мраморы в наружной отделке зданий и сооружений под влиянием атмосферных факторов (важнейший из них – сернистый газ, содержащийся в воздухе промышленных центров и больших городов) быстро выветриваются, теряют блеск полировки, изменяют цвет.