какой минерал слабо устойчив в осадочных породах
Научно-технический портал «Технарь»
Разделы
Реклама
Реклама
Осадочные горные породы. Химический и минеральный составы осадочных пород. Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства
В составе литосферы на долю осадочных пород приходится лишь около 5 %, однако они занимают до 75 % площади поверхности Земли. Характерным для осадочных пород является слоистость залегания (их называют пластовыми) и в большинстве случаев более пористое строение и меньшая прочность, чем у плотных магматических пород. В зависимости от условий образования осадочные породы подразделяют на три группы: механические отложения (обломочные), химические осадки, органогенные отложения.
Механические отложения (рыхлые и цементированные) образовались в результате разрушения других пород под воздействием процесса выветривания (действие воды, ветра, колебаний температуры, замораживания и оттаивания и других атмосферных факторов). В результате даже самые прочные массивные магматические породы разрушаются, образуя обломки разных размеров: глыбы, куски и более мелкие частицы.
Наряду с механическими разрушениями в результате взаимодействия составных частей горных пород с веществами, находящимися в окружающей среде, может происходить химическое разрушение. Так, полевые шпаты под действием воды, содержащей диоксид углерода, разрушаются, образуя водные силикаты алюминия.
Продукты разрушения остаются на месте или чаще переносятся водными потоками, ветром, ледниками в другие места и после осаждения образуют рыхлые скопления пластов обломочных осадочных пород (песка, глины, гравия, природного щебня). Некоторые из них в последующем подвергаются цементированию природными цементами, выпавшими в толще рыхлых осадков из омывающих их растворов, образуя сплошные (сцементированные) горные породы различной плотности (песчаники, конгломераты, брекчии).
Химические осадки образовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород. Они являются следствием изменения условий среды, взаимодействия растворов различного состава и испарения (гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковые туфы).
Органогенные отложения — породы, образующиеся в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов водных бассейнов. Многие морские организмы при жизни извлекают из воды соли кальция, растворенный кремнезем для построения своих скелетов, раковин, панцирей, стеблей. После отмирания, осаждаясь на дно и уплотняясь, они образуют пластовые отложения органогенных пород. Для строительных целей используют мел, известняки разных видов, диатомиты и трепелы.
Рис.1. Диатомит природный
Химический и минеральный составы осадочных пород
Средневаловой химический состав всех осадочных пород близок к составу магматических пород, но между собой отдельные осадочные породы различаются значительно больше, чем магматические. Осадочные породы, применяемые для строительных целей, чаще всего содержат следующие химические соединения: кремнезем в кристаллическом и аморфном состояниях (безводный и водный), алюмосиликаты (главным образом водные), карбонаты (безводные), сульфаты (безводные и водные).
Из этих соединений и состоят основные минералы осадочных пород, используемых в строительном деле: кварц, опал, каолинит, кальцит, магнезит, доломит, гипс, ангидрит.
Кварц (кристаллический кремнезем) благодаря высокой стойкости при выветривании остается химически неизменным и входит в состав многих осадочных пород (песков, песчаников, глин и др.). В аморфном состоянии кремнезем в осадочных породах встречается в виде минерала опала.
Опал (SiO2 nH2O) менее плотен (плотность —1900. 2500 кг/м3), прочен и стоек, чем кварц. Он отличается повышенной внутренней микропористостью и высокодисперсной структурой, обладает большой реакционной способностью к гидроксиду кальция и другим основным оксидам. Это свойство аморфного кремнезема широко используют при изготовлении минеральных смешанных вяжущих веществ.
Каолинит — водный силикат алюминия, образуется при выветривании полевых шпатов и слюд. Цвет каолинита без примесей — белый, плотность — 2600 кг/м3, твердость — 1. Каолинит и другие водные алюмосиликаты типа А l 2 Оз-nSiO2- m Н2О являются основными при образовании глин. Они часто встречаются в виде примесей в известняках, песчаниках, гипсовых и других осадочных породах. Наличие этих примесей понижает водо- и морозостойкость пород.
Кальцит (СаСО3) имеет совершенную спайность по трем направлениям, плотность 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворяется в кислотах, в обычной воде — мало (около 0,03 г/л). Это распространенный минерал, слагающий различные виды известняков. Окраска белая, серая, иногда он прозрачен.
Магнезит (MgCO3) имеет плотность 2900. 3100 кг/м3, твердость 3,5. 4,5. Он распространен значительно меньше кальцита и образует породу того же названия.
Доломит (CaCO3-MgCO3) по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд — 3,5. 4, плотен (плотность-2900 кг/м3) и прочен. Цвет доломита от белого до темно-серого в зависимости от примесей. Он встречается чаще, чем магнезит, образуя породу того же названия или входя в состав известняков и других осадочных пород.
Гипс (CaSO4-2H2O) — минерал кристаллического строения, его кристаллы имеют зернистое, столбчатое, пластинчатое, игольчатое или волокнистое строение. Он белого цвета, иногда окрашен примесями. Обладает спайностью в одном направлении. Плотность гипса 2300 кг/м3, твердость 2, сравнительно легко растворяется в воде. Гипс образует породу того же названия.
Рис.7. Гипс пластинчатый
Ангидрит (CaSO4) — безводная разновидность гипса, образует породы одноименного названия. Плотность ангидрита 2900. 3000 кг/м3, твердость З. 3,5.
Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства
Многие осадочные породы используют как сырье для получения других строительных материалов, а некоторые для непосредственного применения в качестве строительного камня.
Песок и гравий — горные породы, образовавшиеся в результате выветривания различных горных пород. Размер зерен песка 0,6. 5 мм, гравия — 5. 70 мм и более.
Глины являются тонкообломочными отложениями, образовавшимися в результате выветривания полевошпатовых горных пород (граниты, гнейсы и др.). По составу глины представляют собой смесь минералов каолинитовой группы с зернами кварца, слюдой, оксидами1 железа, карбонатами кальция и магния. Каолинитовые глины (каолин) имеют белый цвет, другие глины в зависимости от вида и количества примесей могут иметь разный цвет, вплоть до черного. Глина при увлажнении приобретает пластические свойства и после обжига переходит в камневидное состояние. Она является основным сырьем в керамической промышленности и при производстве цементов (см. гл. 3 и 5).
Гипс и ангидрит — породы химического происхождения, состоящие в основном из минерала гипса и ангидрита. Внешне и по своим физико-механическим свойствам они мало отличаются друг от друга. Их применяют для производства вяжущих веществ, а некоторые разновидности — для внутренней облицовки зданий.
Магнезит — порода химического происхождения, состоящая в основном из минерала магнезита. Его применяют для изготовления огнеупорных изделий, частично для получения вяжущих веществ (каустического магнезита).
Мел — порода органогенного происхождения, обычно белого цвета, землистого сложения, представлена микроскопическими раковинами простейших организмов. По химическому составу почти целиком состоит из карбоната кальция, имеет небольшую прочность. Применяют в качестве белого пигмента в красочных составах, приготовлении замазки, а также при производстве извести и портландцемента.
Диатомит — органогенная порода, образовавшаяся из панцирей диатомовых водорослей и отчасти из скелетов радиолярий и губок, между которыми осаждались тончайший ил и глина. Состоит в основном из аморфного кремнезема в виде минерала опала
Трепел — порода, образовавшаяся раньше диатомита, и в отличие от него состоит из аморфного кремнезема в виде мельчайших шариков опала, сцементированного опаловым же цементом. Диатомит и трепел близки и по свойствам. Их пористость 60. 70 %, плотность 350. 950 кг/м3, теплопроводность 0,17. 0,23 Вт/(м*°С). Содержание активного кремнезема составляет 75. 96 %. Трепел и диатомит используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в качестве активных минеральных добавок к вяжущим веществам. С течением времени трепел превращается в тонкопористую или плотную, трудно размокающую породу — опоку, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема.
В качестве строительного камня главным образом применяют известняки различных видов, доломиты и песчаники.
Известняки в большинстве случаев являются органогенными породами, но встречаются известняки химического происхождения (известковые туфы). Известняки в основном сложены из минерала кальцита, но часто содержат различные примеси (кремнезем, глину, доломит, оксиды железа, органические соединения), в зависимости от которых цвет известняков может быть от белого до темно-серого с различными оттенками.
При содержании глины не более 6 % породу называют известняком; при наличии 6. 20 % глинистых примесей— мергелистым известняком, а при большем содержании глины — мергелем. Мергель неводостоек и неморозостоек, поэтому как строительный камень не применяется, но является ценным сырьем для производства цемента.
Примесь глины в известняках, применяемых в качестве строительного камня, даже в небольшом количестве (3. 4 %) резко уменьшает их водо- и морозостойкость. Вредное влияние на строительные свойства известняков оказывает также пирит РеБг. Известняки, содержащие некоторое количество кремнезема, более прочны и стойки, чем другие виды известняков. Известняки, в которых присутствует доломит, называют доломитизированными.
Плотные известняки (плотность более 1800 кг/м3), состоящие из мелких зерен кальцита, связанных непосредственным сцеплением кристаллов или различными природными цементами (известковым, известково-кремнистым), используют в виде бутового камня (для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым климатом), плит и фасонных деталей для облицовки стен, цоколей и карнизов, ступеней, а также в качестве щебня для бетона, основания для дорог и сырья для получения извести и портландцемента.
Известняки-ракушечники — пористые горные породы характеризуются небольшой плотностью, низкой прочностью и малой теплопроводностью. Их применяют в виде камней правильной формы для кладки стен, а наиболее плотные разновидности — для облицовки стен, а также в качестве щебня для легкого бетона.
Рис.9. Ракушечник крымский
Известковые туфы — пористые известняки химического происхождения. Несмотря на значительную пористость, известковые туфы характеризуются достаточной морозостойкостью, так как они вследствие ячеистого строения (поры замкнутые или крупные) имеют относительно низкое водопоглощение. Разновидность известкового туфа — травертин, имеющий мелконоздреватое строение и высокую прочность при сжатии (до 80 МПа), применяют для облицовки зданий.
Доломит — порода химического происхождения, состоящая из минерала доломита. Свойства его близки к известняку плотному. Применяют доломит для тех же целей, что и известняки, а также для производства огнеупоров и теплоизоляционных материалов.
Песчаники, конгломераты, и брекчии — породы, образовавшиеся из рыхлых отложений разрушившихся горных пород в результате цементации их различными природными цементами (известковым, кремнистым, глинистым, железистым и др.). В результате цементации песков образуются песчаники, зерен гравия — конгломераты, природного щебня — брекчии. В качестве строительного камня применяют наиболее прочные и стойкие известковые и кремнистые песчаники, а также конгломераты и брекчии на этих природных цементах. Большинство песчаников — плотные, тяжелые и теплопроводные материалы. Их используют главным образом для кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, ступеней, тротуаров, облицовки зданий, а также в виде щебня для бетонов и других целей. Конгломераты и брекчии, обладающие декоративностью, используют в качестве облицовочного камня.
Осадочные породы
Литология — наука, занимающаяся изучением осадочных пород. Учёные всего мира исследуют и собирают информацию об ископаемых, изучают их особенности и условия формирования. Также они рассматривают и оценивают структуру, происхождение, состав и другие характеристики добываемых материалов.
Что такое осадочные породы
Классификация осадочных пород
Все осадочные породы различаются между собой разнообразным составом, различного рода условиями, при которых произошло их формирование, свойствами и характеристиками. Присутствуют такие породы, которые состоят всего лишь из одного компонента. Также есть многокомпонентные ОГП. Существует далеко не одна общая их классификация, которая подходила бы и учёным, и исследователям. Это произошло из-за огромнейшего многообразия горных пород, поэтому все группы исследователей планеты пользуются разными классификациями.
ОГП классифицируются по составу:
Также породы классифицируют по группам:
К окисным относятся водные, кремневые, марганцевые, железистые породы, бокситы. Карбонатные и фосфатные осадочные породы — это солевая группа. К органической группе пород относится нефть, твёрдые горючие вещества, антраксолиты. В состав силикатных пород входят глины, обломочные кварц-силикатные породы.
Обломочные
Под обломочными породами принято понимать гравелиты, алевролиты, песчаники, обломки которых представлены разнообразными минералами. Их обычно цементирует вещество, которое имеет глинистый или карбонатный состав. Также к обломочным относятся осадочные породы, которые были изначально разрушены на обломки, а затем сцементированы.
Эти породы могут быть как рыхлые и неуплотнённые (щебень, валунники, гравий, галечники), так и сцементированные и уплотнённые (дресвяник, брекчия глыбовая).
Вулканогенно-обломочные
По происхождению вулканогенно-обломочные породы делятся на эксплозивно-обломочные и эффузивно-обломочные. Первые сформировались вследствие извержений взрывного типа, в результате которых появились накопления рыхлого материала. Далее этот материал скреплялся между собой с помощью цементации. Эффузивно-обломочные породы были сформированы благодаря процессу дробления лавы в процессе её охлаждения.
Вулканогенно-обломочные горные породы принято использовать для изготовления разнообразных строительных материалов. Это и цемент, и стекло, и материалы, используемые для теплоизоляции.
Глинистые
Это самые часто встречающие осадочные породы. Они занимают больше половины объёма всех пород на земной коре. В основном они состоят из мелких частиц, а образуются в результате выветривания магматических пород.
Глинистые породы распределяются на глины и аргиллиты.
Аргиллиты — это глины с высокой плотностью, не размокающие в водной среде. В их состав входит кварц, слюды, шпаты. По цветовой гамме аргиллиты более тёмные, чем глины.
Биохимические
Биохимические осадочные породы образовываются в результате химических реакций, в которых участвуют микроорганизмы и породы, обладающие химическим и органогенным происхождением. Они бывают медистые, кремнистые, карбонатные и фосфатные.
Медистые песчаники и сланцевые горные породы, которые содержат минералы меди, являются медной рудой. Пласты песчаников занимают большую площадь и представлены такими минералами, как борнит, халькопирит, а также сульфиды железа, цинка, свинца, кобальта.
Кремнистые биохимические породы имеют разный минеральный состав. Они делятся на диатомиты, гейзериты, трепелы, радиоляриты, лиддиты. Они отличаются между собой по пористости структуры, объёму примесей глинистых веществ, имеют разную окраску.
Карбонатные породы образовались из раковин, скелетов морских и пресноводных обитателей, растений и бактерий, которые со временем накапливались на дне водоёмов. Они постепенно уплотнялись и изменяли структуру.
Фосфатные породы высокообогащенные фосфатами кальция. Они имеют слоисто-зернистую структуру. По условиям образования и залегания фосфатные осадочные породы делятся на несколько типов фосфоритов: зернистые, афанитовые, ракушняковые, пластовые и конкреционные. Фосфаты накапливаются на дне водоёмов из разных компонентов живого вещества: молекул ДНК, РНК, тканей и клеток.
Способы формирования осадочных пород
Процесс формирования осадочных пород медленный и постепенный. Он происходит на поверхности, в водоёмах и приповерхностной части Земли и имеет несколько стадий:
Диагенез
Во время диагенеза все фазы осадка уплотняются, лишняя влага и неустойчивые компоненты удаляются и начинают формироваться минеральные породы. Эта стадия длится в течение многих десятилетий и функционирует в диапазоне нескольких десятков метров.
Катагенез
Благодаря температуре, давлению и водным массам осадочные породы подвергаются значительным изменениям. Меняется химический и минеральный состав, строение, свойства. Породы ещё больше уплотняются, меняют свою структуру, образовывая новые минералы. Неустойчивые соединения пропадают, и происходит перекристаллизация.
Метагенез
Процесс метагенеза схож с катагенезом, но здесь на уплотнение пород действует высокая температура, достигающая на некоторых участках 200-300°С. Осадочные породы в таких условиях максимально уплотняются. На этом этапе происходит преобразование остатков фауны, в результате чего породы переходят в метаморфические горные образования.
Возраст осадочных пород
Их возраст можно определить относительно. Считается, что породы, к которым есть доступ для последующего изучения, имеют возраст 3,8 млрд. лет. Слои, которые находятся в самых глубоких местах, считаются самыми древними. Фазы, залегающие ближе к поверхности, имеют более молодой возраст.
Развитие органической жизни на Земле было постепенным. Останки простейших организмов находятся в древнейших породах. Скелеты более развитых организмов заключены в более молодых породах. Таким образом, все слои осадочных пород имеют разную структуру, возраст и условия формирования.
Свойства осадочных горных пород
К базовым осадочным породам относятся известняк, песчаник и доломит.
Известняк имеет множество разновидностей, состоит из кальция, магния, глинистых или железистых примесей. Эти породы разнообразны по составу, текстуре, прочности. Известняк часто используют в строительстве, но при этом его обрабатывают водоотталкивающими составами. Он имеет свойство растворяться в воде, хотя и очень медленно. Имеет пастельные ненавязчивые расцветки.
Песчаник сформирован из зёрен минералов, которые были сцементированы различными веществами. Имеет высокую прочность и огнеупорность. Используется в строительстве для отделки зданий, а также в производстве декораций. Свойства камня зависят, как правило, от месторождения и состава обломков.
Доломит — это горная порода, в состав которой входит минимум 95% минерала доломита. Он имеет среднюю твёрдость, разнообразный окрас: белый, жёлтый, серый или черный с зеленоватым отливом. Используется в металлургической промышленности, имеет высокую огнеупорность.
Полезные ископаемые осадочных пород
По способам применения делятся на горючие, рудные и нерудные полезные ископаемые. К группе горючих пород относят уголь, нефть, торф и газ. Рудные — это разнообразные руды горных пород. К нерудным ископаемым принадлежат песок, глина, известняк, соли.
Ценные поделочные камни и драгоценные материалы не входят ни в одну из перечисленных групп, а стоят отдельной категорией.
Структуры осадочных пород
Под структурой понимают разнообразные признаки пород: размер и форма частиц, их взаимодействие между собой, степень кристаллизации, условия формирования. Есть такая классификация структур:
Псефитовая структура имеет размер частиц более 1мм. Фракции с такой величиной считаются самыми крупными. Псаммитовая структура — размер фрагментов от 1 мм до 0,1 мм. Алевритовая — размер частиц в пределах 0,1 – 0,01 мм. Пелитовую структуру имеют, как правило, глинистые породы, а размер частиц в них достигает менее 0,01 мм.
Органические и неорганические осадочные породы
Органические горные породы были образованы в результате функционирования живых организмов. Они делятся на фитогенные, сформировавшиеся в результате жизнедеятельности растений, и зоогенные, образовавшиеся в результате жизнедеятельности представителей животного мира. Из остатков растений возникли угли и некоторые виды нефти, а из животных — известняки.
Неорганические породы создавались в процессе выветривания. Также на их формирование влияли колебания температур, сила и скорость ветра, текучесть воды в водоёмах. Каменная соль, гипс, гравий, песок, галечник — примеры неорганических пород.
Примеры осадочных пород
Осадочные горные породы:
Простейшие осадочные породы
Кизельгур или горная мука — полезное ископаемое, которое сформировалось из простейших морских организмов. Это были диатомовые водоросли, которые уже обитали на Земле миллионы лет назад. Из их створок образовалась горная мука.
Диатомовые водоросли выглядят очень необычно, так как имеют кремниевую оболочку. Благодаря этому горная мука насыщена кальцием, кремнием и ещё многими минеральными веществами. Эти полезные ископаемые, как правило, рыхлые, имеют серый или желтоватый окрас. В диатомите можно встретить частички опала, обломочные и глинистые породы.
Значение осадочных пород в природе
Использование осадочных пород человеком
Люди добывают полезные ископаемые в шахтах и карьерах, а потом используют произведённые из них предметы в повседневной жизни. В природе породы находятся в твёрдом, жидком или рассыпчатом состоянии.
Из осадочных пород люди используют соль для приготовления еды, графит для производства карандашей, уголь и газ для отопления помещений, мрамор и известняк для строительства, глину для производства фарфора, золото и драгоценные камни для украшений. Количество осадочных пород в металлургии составляет более 50%. Запасы энергетического сырья во всех странах разные, так как ресурсы расположены неравномерно.
Происхождение горного материала
Осадочный материал существует в термодинамических условиях. Он возникает в поверхностной части земной коры. ОГП занимают почти три четверти площади материков, поэтому люди всегда с ними сталкиваются во время геологических работ. Природный материал формируется, когда выветриваются и разрушаются разные породы под воздействием жидкости, колебания температур и других факторов. Также они образуются из продуктов жизнедеятельности организмов или осадков из водной среды.
ОГП появляются на основе минеральных компонентов разрушенных полезных ископаемых. Большинство форм залегания естественного материала находят в виде пластов и слоёв. С ними связаны многие месторождения камней и других минералов. В таких образованиях сохранились останки многих вымерших организмов, с помощью которых возможно узнать историю развития разных уголков Земли.
При определении классификаций осадочных горных пород учитывались особенности формирования осадков в физико-механических и химических условиях, которые затем привели к появлению ОГП. Большую часть работы по этому вопросу проделал геолог Н. М. Страхов. На основе изученных свойств геологических материалов литологии научились определять и условия формирования горных пород.
Основные разновидности
Существует несколько групп ОГП, которые делятся по различным признакам. По генезу (механизму и условиям формирования) учёные составили список из четырех типов природных материалов. В учебной литературе можно найти таблицы с главными группами осадочных горных пород с примерами:
Между перечисленными группами ОГП можно наблюдать переходы, которые возникают из-за смешанных материалов разного происхождения. С появлением осадочных пород связаны слоистость и залегание образований в виде пластов.
Процесс литогенеза
Состав и структура ОГП формируются под влиянием её генезиса. Литогенез, представляющий собой совокупность геологических процессов, также определяет свойства осадочных пород.
Вещества, которые образовались при разрушении различных горных пород, переносятся ветром и отлагаются, формируя осадочные обломки. Накапливаются ОГП на дне водоёмов и поверхности суши. Со временем рыхлые скопления уплотняются и приобретают определённую структуру. Все эти процессы представляют собой стадии:
Последние две стадии часто объединяют в один этап — эпигенез. Преобразования осадочных веществ проходят по-разному. В процессах участвуют и факторы окружающей среды: физико-химические условия, давление, движение воздуха, скорость течения воды и так далее.
Вещественный состав
Поскольку типы ОГП отличаются по источнику происхождения и особенностям процессов породообразования, они отличаются минеральным составом, в который могут входить различные химические элементы из таблицы Менделеева. Сложные единства содержат разнородные составляющие в виде реликтовых минералов, продукты разложения глин или слюд, экзогенные новообразования из истинных и коллоидных растворов.
Компоненты ОГП делят на две группы:
По стадии формирования аутигенные компоненты также группируют на диагенетические, катагенетические, метагенетические, седиментационные и элювиальные. Составляющие отображают физико-химические условия, в которых образовались минералы.
Структура минералов
Осадочные породы характеризуются разнообразной структурой, особенности которой зависят от компонентов ОГП. Её устанавливают по диаметру зёрен, однако их определение нельзя назвать однозначным.
Для каждого типа пород свойственна определённая структура:
При характеристике структуры ОПГ смотрят и на её пористость. Она свойственна всем осадочным материалам, не считая плотных химических веществ. Поры бывают различных размеров. Кроме того, в них могут находиться газ, вода или органические вещества.
Часто осадочные породы залегают в виде слоёв, формирующихся при накоплении веществ в воздухе и воде. Микрослоистость характерна для отложения в реках и озёрах. В горной породе могут быть одиночные прослои, отличающиеся составом и структурой от основной ОГП. Например, в песке может залегать тонкий глинистый слой.
Пласты занимают более значительную площадь. В них резко различаются слои отличных составов. Пласты ограничиваются с обеих сторон чётко выраженными поверхностями, которые называют кровля (верхняя) и ложе (нижняя). Мощность покрытия выражена в расстоянии между слоями. Высокий показатель наблюдается у морских отложений. Небольшая мощность характерна для материковых образований четвертичной системы. Комплекс слоёв с одинаковым объёмом, сходным составом и временем происхождения называется толща.
Сформировавшиеся горные породы покрывают своеобразной оболочкой отложения метаморфического и магматического происхождения. Хотя осадочный материал составляет всего 5% земной коры, он покрывает огромную поверхность планеты, поэтому люди строят различные сооружения в основном на них.