Горные породы и их классификации

Горные породы — это закономерные скопления одного или не­скольких минералов, образующие самостоятельные геологические тела в земной коре. Желательно сразу же отделить еще два сходных понятия (в кратких формулировках). Грунт — это любая горная по­рода, рассматриваемая при инженерной деятельности как осно­вание, материал или среда сооружения. Почва — верхний слой горных пород, прошедший биогенные изменения, обладающий плодородием.

Прежде всего горные породы классифицируются по происхож­дению. Наименования их основных видов и разновидностей приве­дено в таблице ниже.

Классификация горных пород по происхождению

Излившиеся и вулканические (эффузивные) Глубинные (интрузивные)

Смешанные Биохимические Глинистые (обломочно-химические)

Разных типов метаморфизма

Помимо названных в таблице разновидностей осадочные по­роды принято подразделять также по месту накопления и формиру­ющим их процессам. Отсюда деление осадочных пород на морские и континентальные — речные, озерные, ледниковые, пролювиальные, ветровые, коры выветривания.

Иллюстрация распространения горных пород различного про­исхождения в земной коре хорошо видна на схеме строения плат­формы.

По минеральному составу породы подразделяются на моном и не- ральные, состоящие из одного минерала (возможно, с примесями), и полиминеральные, состоящие из нескольких минералов (при­меры: мрамор состоит из кальцита, гранит — из полевого шпата, кварца, роговой обманки и слюды-биотита).

Внутреннее сложение пород из минеральных частиц принято ха­рактеризовать двумя показателями — структурой и текстурой.

Под структурой принято понимать всевозможные характери­стики породы, связанные в основном с размерами слагающих ее частиц, например, кристаллическая, аморфная, крупная, средняя, мелкая и т.д.

Текстура — это особенности породы, связанные с расположе­нием частиц (массивная (хаотичная), пятнистая, слоистая, плотная, пористая и т.д.).

Различные типы пород имеют различные структуры и текстуры, хотя возможно использование сходных слов, которые обозначают похожие, но не совпадающие обстоятельства. Крупнокристалли­ческая и крупнообломочная структуры — разные характеристики разных пород. Пористая текстура — одинаковое понятие для разных пород. А вот понятие «плотная порода» может означать разные вещи. Плотный известняк действительно не содержит пустот, а плотный песок — все равно пористая порода с пустотами между песчинками, только его пористость минимальна.

Геологи выделяют десятки и сотни структур и текстур различных пород, составляют на них справочники и атласы с фотографиями, схемами и описанием. Это имеет научное значение и используется для поисков полезных ископаемых. При использовании геологи­ческих знаний для решения прикладных вопросов строительства, природообустройства, водного и сельского хозяйства данные о структуре и текстуре пород используются в упрощенном виде.

Химическая классификация пород. Для мономинеральных пород естественной является классификация по химическому классу главного породообразующего минерала. Так, например, классифи­цируются мрамор, химические и биогенные осадочные породы. Выделяются карбонаты, сульфаты, кремнистые породы, галоиды и т.д. У геологов не вошло в норму и традицию давать химическую классификацию некоторым группам полиминеральных пород. В отдельных случаях это вполне можно было бы сделать, например, в отношении метаморфических пород, в других — было бы затруд­нительно и потребовало много вариантов и оговорок (например, для обломочных пород), однако в каждом конкретном случае хими­ческий состав обязательно рассматривается.

Гидрогеологические и инженерно-геологические свойства пород

Обязательно оцениваются фильтрационные, коллекторские свой­ства и растворимость.

Многие свойства вытекают из определения понятия «грунт», т.е. из того, каковы породы в качестве основания, среды или мате­риала сооружения (ГОСТ 25100—2011 «Грунты. Классификация» и ГОСТ 30330—95/ГОСТ Р 50544—93 «Породы горные. Термины и определения» — эти документы целиком составлены на геологической основе).

Свойствам горных пород посвящены две научные дисциплины «Грунтоведение» и «Механика грунтов». В соответствии с этим все породы разделены на три класса — скальные , дисперсные и мерзлые.

Скальные породы — монолитные породы, представляющие собой твердый материал. По величине прочности на одноосное сжатие Rc породы делят на скальные и полускальные. ГОСТ 25100-2011 проводит границу по величине 5 МПа, а ГОСТ 30330—95/ГОСТ Р 50544—93 — по величине 30 МПа (примеры: гранит — скальная порода, писчий мел — полускальная). Сильно выветрелые и пористые породы мо­гут рассматриваться и как скальные, и как полускальные.

Скальные и полускальные породы как основание надежны, практически несжимаемы. Сложности возникают при работе с сильно трещиноватыми, выветрелыми, закарстованными и рас­творимыми разностями. Скальные породы используются в виде щебня — дробленого камня или как пиленый камень — облицо­вочный и блочный.

Дисперсные — это породы, состоящие из отдельных минеральных частиц, зерен, обломков и других элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические связи. Это пес­чаные, крупнообломочные, глинистые породы, торф, сапропель, илы, насыпные и намывные грунты, все виды техногенных и ант­ропогенных накоплений, золы, шлаки и прочие отходы, строи­тельный и бытовой мусор и многое другое.

Крупнообломочные и песчаные породы — удобное несжимае­мое или мало сжимаемое основание. Легко разрабатываются экска­ватором и бульдозером, представляют собой ценный материал для сооружения насыпей, фильтрующих отсыпок и наполнителя бе­тона. Глинистые породы и отчасти пески — сжимаемое основание. Действительно, под весом сооружений эти грунты сжимаются, и данный процесс называется осадкой. Кроме того, в природе име­ются процессы, приводящие, наоборот, к некоторому подъему по­верхности, — это набухание и пучение. Возможно горизонтальное смещение грунтов за счет оползней и землетрясений. Большинство сооружений, выстроенных из кирпича и бетона, весьма чувстви­тельно к неравномерным вертикальным или горизонтальным сме­щениям основания (равномерных практически не бывает), когда одна часть сооружения опускается чуть ниже другой или перемеща­ется в сторону. В этом случае в стенах и конструкциях появляются трещины, и возникает необходимость ремонта, который, возможно, придется повторять каждые несколько лет.

Развитие трещин в стене здания за счет неравномерной осадки

Сжимаемость основания, сложенного песчано-глинистыми по­родами, ни в коем случае не должна быть препятствием — важно сохранять ее в допустимых пределах. На этих грунтах выстроены тысячи населенных пунктов, хозяйственных объектов, проживают миллиарды людей. Освоение этих территорий — постоянная задача из области природообустройства, поэтому науки «Грунтоведение» и «Механика грунтов» посвящены в основном именно дисперсным грунтам — глинистым породам, пескам и слабым грунтам.

Слабые грунты — торф, ил, сапропель обычно рассматриваются как сильно сжимаемое основание, при строительстве они обычно удаляются. Мерзлые грунты — это скальные и дисперсные грунты, находящиеся в многолетнем мерзлом состоянии, которое является решающим в формировании их свойств.

Оценка свойств горных пород, особенно дисперсных, мерзлых и слабых, усложняется тремя обстоятельствами.

1. Геологические тела всегда неоднородны по площади и раз­резу. Даже небольшой участок (несколько десятков метров в плане и несколько метров вглубь) может подразделяться на некоторое ко­личество более мелких геологических тел . Из каждого должны быть отобраны образцы для выполнения лабораторных исследований.
2. Свойства грунтов внутри одного геологического тела варь­ируют, т.е. для определения какого-либо показателя недостаточно бывает измерить его один раз — требуются многократные лабора­торные измерения с вычислением среднего и мер рассеяния.
3. Точность определения некоторых показателей в лабора­торных условиях может вызывать сомнения. В этом случае практи­куются полевые измерения, выполняемые на массивах грунтов — такие результаты считаются наиболее надежными.

Измеренные показатели далее используются в расчетах при про­ектировании с обязательным введением коэффициентов запаса. Многие горные породы рассматриваются как ценные полезные ис­копаемые, используются в качестве сырья для различной деятель­ности и производства. Например, карбонатные породы (извест­няки, доломиты, мергели) используются при производстве цемента, фосфориты — при производстве фосфатных удобрений, глины — в кирпичном производстве.

Другие породы практически без переработки применяются в массовом порядке в области сельского хозяйства, строительства и природообустройства (например, торф как удобрение, песок, гравий и галечник как строительные материалы).