Характеристика смешанных хемо-биогенных пород

Хемо-биогенные современные рыхлые осадки (отложения) и плотные сцементированные горные породы, которые сформировались в результате диагенеза, аккумулируются и накапливались преимущественно в водоемах: в океанах и морях, озерах и болотах. Они возникают благодаря химическому осаждению минералов из пересыщенных определенными химическими веществами и ионами вод, а также жизнедеятельности и отмиранию организмов. Реже они возникают при излиянии концентрированных подземных вод и растворов на земную поверхность (сушу).

Хемо-биогенные породы отличаются своим мономинеральным составом, в каждой породе преобладает обычно один породообразующий минерал, в соответствии с которым называются горные породы, например, порода гипс состоит преимущественно из зерен минерала гипса и т.п. Поэтому они имеют определенный химический состав и подразделяются именно по химическому составу на группы: галоидные, сульфатные, кремнистые, карбонатные, каустобиолиты (углеводородные породы) и другие.

Таблица 14

Хемогенные и биогенные породы (определитель)

Галоидные и сульфатные породыимеют преимущественно химическое происхождение, кристаллизуются в водной среде из соленых вод при относительно теплом климате – преобладании испарения над выпадением атмосферных осадков. Слагающие их минералы имеют относительно быструю скорость роста минеральных кристаллов, поэтому данные породы характеризуются явнокристаллическими структурами и плотно-слоистыми текстурами (табл. 14).

К галоидным породамотносятся каменная соль, сильвинит и карналлитовые породы. Галит (или каменная соль) состоит из минерала того же названия, имеет белую, серую, желтоватую, красноватую окраску за счет тончайших зерен механических примесей. Красноватая окраска возникает за счет тончайших чешуек железной слюдки; серая – примесей глинистых минералов или углистого вещества; синяя, вероятно – металлического натрия. Залегает в виде пластов и линз, переслаиваясь с другими галоидными и сульфатными породами, а также глинами и называются термином единым термином эвапориты.

Распространены в современных озерах в условиях сухого климата, а также среди древних залежей на Урале, в Поволжье, где в древние геологические периоды были аридные физико-географические условия. Без соли не мыслима жизнь современного человека: ее применяют в пищу, используют в фармацевтический и химической промышленности. Как грунты галоидные породы легко растворяются в воде, имеют низкий коэффициент крепости - 2.

К сульфатным породамотносятся гипс и ангидрит (табл. 15). Горная порода гипс, состоящая из минерала гипса, также легко царапается ногтем. В одном образце гипса могут встречаться кристаллы разных размеров зерен минерала - от тонких до гигантских, и различных форм: волокнистых, игольчатых, пластинчатых, и сростков – ласточкин хвост, двойников. Волокнистые разновидности гипса называются селенитом; снежно-белые плотные – алебастром.

Гипс образуется путем осаждения из морской воды и за счет окисления серного колчедана, а также при воздействии сульфатных вод и сероводорода на карбонатные породы. При этом сульфаты кальция (гипс и ангидрит) растут за счет карбонатов (кальцита, доломита), как бы разъедая и поглощая их. Таким путем замещения возникли некоторые крупные месторождения гипса на Урале – в Пермском крае. При дегидратации, теряя воду, гипс переходит в ангидрит.

Ангидрит – также мономинеральная порода, состоящая из минерала ангидрита, белого, серого, голубоватого, красноватого цвета, с ровным или плоскораковистым изломом и слабо занозистой или блестящей поверхностью. Он выпадает из раствора при более высокой температуре, чем гипс. Обычно ангидрит возникает на глубинах около и более 100 м при дегидратации гипса, а при соприкосновении с поверхностными и подземными водами легко может переходить обратно в гипс. Поэтому часто в земной коре залегают гипсо-ангидриты, в которых одни участки обогащены гипсом, а другие ангидритом.

Гипс легко растворяется и полностью выщелачивается подземными водами: 1 часть гипса растворяется при 18 0С в 386 частях воды, в результате в гипсовых породах достаточно быстро развиваются и образуются открытые и закрытые (подземные) карстовые формы рельефа: огромные пещеры и провальные воронки. Коэффициент крепости 2. Прочность на сжатие менее 20 МПА. Ангидрит как грунт также растворяется и полностью выщелачивается подземными водами. Прочность на сжатие 60…80 МПа.

Гипсо-ангидриты залегают в виде пластов, пластообразных тел, линз, гнезд и карманов. Они нередко залегают среди прослоев глинистых сланцев, песчаников, известняков, чередуясь с последними. Месторождения гипса и ангидрита известны в платформенных отложениях Архангельской и Вологодской областях, в Сибири, на Урале и в Поволжье.

Гипс и ангидрит используются в строительном деле, в медицине, при изготовлении скульптур и различных поделок, в качестве удобрения, для приготовления сернокислого аммония и серной кислоты..

Кремнистые породы или силицитыимеют в основном смешанное химическое и биологическое происхождение и накапливаются в прибрежной части водоемов с более холодной водой (опока, диатомит, трепел), или на больших глубинах (более 4,5 км) в океанах (кремнистые породы и яшмы). Источником кремния для прибрежных отложений являются коллоиды кремния, возникающие при гидролизе силикатов и приносимые с суши, для глубоководных отложений – вулканические подводные извержения.

Диатомит состоит из скелетов микроскопически малых одноклеточных диатомовых водорослей, радиолярий и губок, раковины которых и пустоты сложены опалом, халцедоном, с примесью тонких глинистых минералов. Трепел – подобная диатомиту по физико-химическим свойствам порода, не содержащая почти остатков организмов и состоящая из тонких зернышек (размерами 0,0025…0,005 мм.) кварца и аморфного Si0₂ – опала (табл. 14). Строение пород, состоящих из микроскопических окаменелых организмов, невидимых на глаз, называют биосоматической структурой.

Диатомит и трепел имеют белый, светло-серый и желтовато-серый цвет, тонкопористую текстуру и хорошо растираются между пальцами, чем похожи на мел. Однако они отличаются от мела более легким весом, ощущениями «сухости» на пальцах при растирании (состоят из более твердых минералов) и отсутствием взаимодействия с соляной кислоты. Жадно поглощают воду и прилипают к языку.

Наиболее крупные месторождения диатомита располагаются в пределах Саратовской и Самарской, Смоленской и Курской областей. Применяются при изготовлении динамита, где они играют роль наполнителя. Как пористый материал они обладают высокими адсорбирующими, фильтрующими и отбеливающими свойствами, употребляются для очистки кислот, используются при изготовлении лучших сортов цемента, как полировальный порошок при полировке металлических изделий и как термоизоляционный материал. Из них изготовляется легкий и крепкий кирпич.

Как грунты обладают большой водопоглотительной способностью, увеличивающейся с уменьшением объемного веса, размокают и дают просадки.

Опока – более сцементированный кремнистыми минералами (кварцем, халцедоном, опалом) трепел со значительным количеством глинистых минералов. В ней редко встречаются органические остатки. Она имеет светло-серую, зеленовато-серую окраску с занозистым или раковистым сколом, распадается при выветривании на остроугольные куски (щебень, плитки), чем похожа на мергель, но в отличии от последнего не вскипает от соляной кислоты Опока также легкая, сильно пористая (прилипает к языку) порода, сухая по ощущениям в руках за счет твердых породообразующих минералов. Залегает в виде пластов, подстилая трепел или образуя прослои в пластах трепела. Чистые сорта опоки, обладающие небольшим объемным весом, большой пористостью и соответственно высокими адсорбционными свойствами, применяются как адсорбенты и в цементной промышленности. Встречается на юге Европейской части России, в Поволжье, а также на восточном склоне Урала в чехле западной окраины Западно-Сибирской плиты среди кайнозойских отложений

Как грунты опоки часто залегают среди глин, при наличии глинистого вещества уменьшается их пористость, и они приобретают еще большую способность к размоканию в воде.

Карбонатные горные породысостоят из минералов класса карбонатов: кальцита (реагируют с 5%-й соляной кислотой) и иногда доломита (с 5%-й соляной кислотой реагируют в порошке), имеют в основном смешанное химическое и биологическое происхождение и накапливаются в относительно теплых водоемах и до глубин преимущественно 100…150 м, реже – 1…4 км. В этих породах наряду с карбонатами присутствуют другие минералы: глинистые минералы и гидроксиды железа (лимонит - бурый железняк или гематит – красный железняк), кварц и опал, углистое вещество, за счет которых цвет пород может изменяться от белого, светло-серого до почти черного с красно-бурыми прослоями, вкраплениями и т.п. Карбонатные породы в отличии от других хемо-органогенных пород преобладают в земной коре и на Урале.

Известняки состоят преимущественно из кальцита и характеризуются разнообразным строением и окраской. Они имеют преимущественно тонко- мелкозернистую до крупнокристаллической, часто неравномерно зернистую структуру. Преобладают плотно-слоистые текстуры с различными особенностями. Если в породе хорошо видны окаменелые остатки фауны (вымерших ископаемых животных), то текстура называется органогенная. При этом молодые мезо-кайнозойские известняки являются обычно пористыми и с пустотами и называются ракушечниками; древние обычно палеозойские как на Урале – плотные и массивные с видимыми остатками окаменелостей или их фрагментами. Иногда на поверхности за счет растворения кальцита известняки приобретают кавернозную текстуру. В зависимости от вида остатков фауны выделяются коралловые, нуммулитовые, фузулиновые и др. известняки, от состава примесей – битуминозные, доломитизированные, окремненные и другие известняки. Залегают в виде пластов различной мощности – от тонких прослоек до пластов мощностью в несколько сотен метров.

Известняки широко используются в строительном деле в качестве строительного камня, для получения (путем обжига) негашеной извести, а красиво окрашенные разновидности как облицовочный материал. В металлургической промышленности известняки используются как флюсовый материал, в химической – для получения углекислоты, в цементной – для изготовления цемента, в сахарной – для очистки сахара. Известняки идут также на известкование кислых почв, битуминозные известняки служат для получения асфальта.

В известняках в результате постепенного выщелачивания подземными и поверхностными водами возникают развитые карстовые формы: пещеры, колодца и др. Известняки, подвергшиеся перекристаллизации, обладают большей плотностью, чем ракушечник, они менее водопроницаемы, с большим трудом поддаются воздействию растворителей и образованиям в них карста, если только они не пересекаются трещинами, облегчающими продвижение воды. Трещиноватые известняки являются иногда источником мощных подземных вод для водоснабжения городов. Коэффициент крепости колеблется от 2 до 15; прочность на сжатие – 20…200 МПа.

Мел состоит из мельчайших раковин фораминифер, скелет которых и цемент между ними – кальцита. Иногда в породе наблюдаются обломки раковин моллюсков или скопления глинистых минералов, реже песчанистых частиц. Мел имеет землистый вид – биосоматическую структуру, белую, реже светло-желтую окраску, плотно-пористую текстуру и пачкает руки. Он образовывался в морях, на значительных расстояниях от берегов и на сравнительно больших глубинах при теплом климате. Залегает в виде монолитных мощных пластов. Распространен в Курской и Воронежской областях, в Среднем Поволжье. Используется для производства цемента, в резиновой и бумажной промышленности, а также для побелки стен.

Мел как грунт растворим, намокает и размокает; имеет низкий коэффициент крепости – 2, прочность на сжатие 40…20 МПа и менее. В трещиноватых породах скапливаются трещинные обильные воды.

Мергель состоят из кальцита и глинистых минералов в количестве от 30 до 50%. Они могут быть очень разнообразные по составу: известковые мергели содержат больше кальцита, глинистые мергели – глины. По внешнему виду они похожи на глину, но более тяжелые и легко вскипают от соляной кислоты, на месте капли остается пятно грязи от присутствия в породе глинистых минералов. Они имеют преимущественно светлую, серую окраску, иногда розово- красную - за счет гидроксидов железа. Они встречаются часто в областях распространения слоистых горных пород: известняков, доломитов и песчаников, чередуясь с ними в виде тонких прослоев. Распространены во многих складчатых областях, в том числе на Кавказе и Урале. Мергели ценятся как сырье для изготовления портландцемента, заменяя искусственную смесь известняков и глин.

Сильно глинистые мергели разбухают от воды, как глины. В природе и в искусственных выемках мергели подвержены сильному выветриванию: растрескиваются, разрыхляются и распадаются в щебень – этот процесс называют десквамация. Физико-механические свойства мергеля находятся в тесной зависимости от количества глинистых минералов и других примесей: при содержании глины более 50% мергель уже напоминает глинистую породу, прочность на сжатие - 60…20 Мпа и менее.

Доломит состоит преимущественно из минерала доломита, который реагирует с соляной кислотой будучи растертым в порошок. Его цвет зависит от механических примесей и меняется от серого, белого до красноватого. Структура тонкозернистая, песчаниковидная; при выветривании доломит покрывается мучнистой оболочкой. Доломиты могут образовываться по-разному: во-первых, выделяются доломиты, отложенные в виде химического осадка из растворов в водоемах - осадочное; во-вторых, - возникшие при замещении кальцита доломитом за счет углекислого магния, приносимого извне, – это метасоматическое происхождение. Залегает в виде пластообразных залежей и неправильных скоплений гнездового типа среди известняков и песчаников. Выделяются все переходы от чистого доломита к доломитизированным известнякам до известняков.

Доломиты широко распространены в Московской области, на Урале, в Поволжье, на Северном Кавказе. Применяется в металлургии, как химическое сырье, как огнеупоры и для строительных целей.

Доломиты как грунты несколько прочнее известняков и лучше сопротивляются выветриванию вследствие меньшей растворимости. Они могут иметь разную пористость и трещиноватость в зависимости от степени выветренности, а также прочность на сжатие 100…140 МПА.

Среди преимущественно органогенных породпреобладает торф. Он состоит из разложившихся и обуглившихся растительных остатков (мха, трав, камышей, корней и древесных стволов), которые по химическому составу являются скоплением углеводородов. Представляет собой буроватую, легкую, пористую породу, состоящую из остатков растений с ещё достаточно различимыми формами стеблей, корней, листьев. Торф образовался и образуется в настоящее время преимущественно из наземных и болотных растений в болотах в условиях умеренного или холодного климата. При формирования торфа распад растительных остатков происходил первоначально при доступе кислорода и в присутствии влаги, а затем при отсутствии кислорода под стоячей водой. Из торфа на больших глубинах – более 1 – 3 км, возникают бурый и затем каменный уголь, в которых концентрируются углеводороды. Торф залегает в виде слоев, прослоев и линз в разных районах России: Ленинградская и Московская области, Урал, Сибирь и Дальний Восток. Он применяется, главным образом, в качестве горючего. Чистый, беззольный и сухой торф имеет следующий химический состав:
С = 60%, Н = 6%, О+N = 34%. Теплотворная способность малозольного торфа 4180…6690 больших калорий; при большом содержании золы – 4080…2000 калорий.

Вследствие большой пористости и влагоемкости торф как основание под сооружения непригоден: коэффициент крепости 0,6. Когда при проектировании даже легких построек в основании залегает торф, то его необходимо удалить или принять специальные меры по укреплению основания. В осушенных районах торф способен возгораться в жаркую погоду, как это было неоднократно в Подмосковье, на Урале и других районах.

В целом, химические и биологические осадочные породы в отличие от магматических пород являются более светлыми и однотонными, мономинеральными, состоят из минералов средней твердости и мягких (за исключением кварцевых или кремнистых пород), обладают мелко-скрытозернистой структурой (за исключением химических солей), а также различными органогенными, биосоматическими, слоистыми и пористыми текстурами.