Осадочные горные породы (ОГП)

Составляя всего 5% от массы ЗК, осадочные породы чаще всего слагают ее верхние слои и выходят на поверхность, оказываясь в зоне хозяйственно-строительной деятельности человека. На происхождение ОГП указывает название – формирующиеся из осадка. Последний возникает при разрушении ранее существовавших пород вследствие выветривания и переносе продуктов разрушения, при кристаллизации солей в усыхающих водных бассейнах, а также при накоплении остатков животных и растительных организмов. В соответствии с указанными условиями образования ОГП разделяются на три группы: обломочные, глинистые, химические и биохимические. Основной формой залегания ОГП является слой, в котором различают подошву, кровлю и мощность Н – расстояние между ними (рис.2.З).

Слоистость, значительная пористость, большая изменчивость прочности и сжимаемости, повышенная чувствительность многих пород к внешним воздействиям – характерные черты ОГП. В них нередко обнаруживаются остатки и отпечатки животных и растений, позволяющие устанавливать возраст пород. Охарактеризуем каждую группу ОГП.

Рис. 2.3. Формы залегания ОГП:

1 – слои; 2 – линзы; 3 – выклинивание слоя;

4 – пережим слоя (пласта); 5 – пропласток (прослоек)

Обломочные ОГП

Представляют собой скопления обломков ранее существовавших пород как результата их физического выветривания – увеличения трещиноватости с дальнейшим дроблением, измельчением пород под действием перепадов температуры, замерзания в порах и трещинах воды, кристаллизации солей при ее испарении. Особенно интенсивно физическое выветривание в районах с резко континентальным или холодным арктическим климатом. Далее продукты выветривания в той или иной мере изменяются под влиянием различных геологических факторов, образуя обломочные породы. На их свойства влияют размеры обломков, форма, характер поверхности, плотность сложения; наличие или отсутствие связей между обломками; их минералогический состав, а также характер цементирующего вещества при его наличии.

По размеру обломки или частицы объединяются в группы – фракции. Выделяются следующие фракции с размерами (мм): валуны (глыбы) d >100; галька (щебень) 40…100; гравий (хрящ, дресва) 2…40; песок 0,05…2; пыль 0,005…0,05; глина d<0,005. Указанные в скобках названия используются для неокатанных, угловатых обломков.

В природе обломочные породы представляют собой смесь различных фракций. Наименование породе присваивается по преобладающей фракции, cоставляющей по массе более 50%. Если связи между частицами отсутствуют, породы называются рыхлыми или несвязными. Это галечник, гравий, щебень, хрящ, песок. Для последнего ограничивается также содержание глинистой фракции тремя процентами. Цементированные природным цементом галька и гравий называются конгломератом; то же, щебень и хрящ – брекчия. Конгломераты образуются в прибрежной зоне морей и поэтому распространены шире брекчий. Цементированный песок называется песчаником.

Цементированными оказываются продукты вулканических извержений – пепел, песок и др. Оседая на землю, уплотняясь, цементируясь и твердея, они образуют пористые породы, называемые вулканическим туфами или туффитами, если включают обломочный материал другого происхождения.

Прочность несвязных пород зависит от трения между отдельными частицами; при шероховатой, угловатой их форме оно больше. Большое значение имеет плотность «упаковки» частиц: плотные породы будут и более прочными.

Содержание различных фракций в процентах по отношению ко всей массе достаточно представительной пробы породы называется гранулометрическим составом. Он приводится в табличной или графической форме и является важной характеристикой любых дисперсных грунтов. Соответствующий график называется кривой однородности (рис.2.4). Для неоднородного грунта кривая более пологая. Численно это можно характеризовать коэффициентом неоднородности k = d₆₀/d₁₀, т.е. отношением диаметров частиц, меньше которых в грунте 60 и 10% соответственно. Если k>3, то песок неоднородный. По размеру частиц пески подразделяются на гравелистые, когда частиц крупнее 2 мм более 25%; крупные и средней крупности, когда частиц крупнее 0,5 и 0,25 мм соответственно содержится более 50%; мелкие, когда частиц крупнее 0,1 мм более 75% и пылеватые, когда этих частиц менее 75%. Если содержание ни одной из перечисленных фракций не достигает 50%, песок называют разнозернистым. От гравелистых и крупных к пылеватым строительные свойства песков ухудшаются: снижаются прочность и водопроницаемость, увеличиваются сжимаемость и способность к разжижению, переходу в состояние плывуна, проявляется пучинистость.

Рис. 2.4. Графики гранулометрического состава грунтов

(кривые однородности): 1 – неоднородный песок; 2 – суглинок

Для цементированных пород очень важен вид природного цемента. По минеральному составу он может быть кремнистым (из минералов опал, халцедон), карбонатным (кальцит, доломит), железистым (лимонит), гипсовым, глинистым. В указанном порядке прочность цемента убывает; гипсовый растворим в воде, глинистый самый слабый и в воде размокает. Песчаники с кремнистым цементом по прочности могут не уступать граниту, а с глинистым иметь сопротивление сжатию 1 Мпа и менее. Цемент может быть смешанным, состоящим из разных минералов – например, карбонатно-гипсовым и т.п.

Глинистые ОГП

Наиболее распространены среди осадочных пород. Представляют собой продукты физического и химического выветривания первичных пород и обладают свойством пластичности: в некотором интервале влажности могут менять форму без нарушения сплошности – без появления трещин. Вне интервала пластичности с уменьшением влажности переходят в твердое состояние, а при увеличении – в текучее. Таким образом, в зависимости от содержания воды их физико-механические свойства сильно меняются.

Для глинистых пород особенно характерна дисперсность с высоким содержанием наиболее мелких фракций – пылеватой и глинистой. Достаточно небольшого количества глинистой фракции, чтобы проявились такие типичные свойства глинистых пород, как пластичность, усадка при высыхании, размокание и текучесть при увлажнении, липкость, набухание.

В начале своего формирования (диагенеза) глинистая порода представляет собой ил с большими влажностью и пористостью. Постепенно уплотняясь и обезвоживаясь, ил переходит в собственно глинистую породу, которая в зависимости от содержания глинистой фракции называется супесью (при содержании 3…10%), суглинком (10…30%), глиной (более 30%).

Если глинистая порода перекрывается толщей более поздних отложений, она уплотняется, обезвоживается, между частицами породы возникают прочные связи. Такая прочная камнеподобная глинистая порода, уже не размокающая в воде, называется аргиллитом. Однако в обнажении или выработке аргиллит интенсивно выветривается, рассыпаясь в мелкую щебенку неправильной угловатой формы. Аргиллиты со сланцеватой текстурой называются глинистыми сланцами.

Глинистые породы могут содержать различные примеси, что отражают в их названии: глины известковистые, кремнистые, железистые и т.д.

Особой разновидностью глинистых пород являются лессы. Их особенности – большое содержание пылеватой фракции, высокая пористость, (причем некоторые поры различимы на глаз - макропоры), малая естественная влажность, наличие в минеральном составе карбонатов и сульфатов. В природном состоянии лессы достаточно прочны, но при дополнительном увлажнении (замачивании), резко уплотняются даже под собственным весом, давая большие и быстропротекающие осадки - просадки. Отсюда их характеристика: «макропористые просадочные при замачивании грунты». При строительстве на них обязателен учет указанной особенности.

При длительном уплотнении лессы переходят в твердое камнеподобное состояние. Такие породы называют алевролитами. По своим свойствам они близки к аргиллитам.