Горные породы и их виды

Содержание

Введение.....................................................................................................3

1. Горные породы и их многообразие....................................................4

1.1Понятие горных пород....................................................................4

1.2Классификация горных пород........................................................5

2. Основные свойства горных пород......................................................11

2.2. Плотностные свойства горных пород.........................................11

2.3. Механические свойства горных пород.......................................15

2.4. Горнотехнологические свойства горных пород.........................17

3. Рыхлые горные породы. Песок...........................................................26

3.1 Общая характеристика рыхлых пород.........................................28

3.2. Песок, его характеристика и свойства........................................28

Заключение...............................................................................................36

Список литературы..................................................................................38

Введение

Горные породы, природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору.

Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц горной породы обусловливают её структуру и текстуру.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Среди осадочных пород важную роль играет песок.

Песок - мелкообломочная, рыхлая горная порода, состоящая из зерен (песчинок) кварца, других минералов и обломков пород, содержит примесь пылеватых и глинистых частиц. Песок является основным заполнителем в строительных растворах, для штукатурок. Широко применяется в строительстве, в стеклянной промышленности

Целью курсовой работы является: рассмотреть горные породы их свойства и многообразие и изучить свойства песка, как рыхлой горной породы.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть понятие горных пород и их классификацию;

- изучить свойства горных пород;

- дать характеристику рыхлым горным породам;

- изучить свойства песка, как рыхлой горной породы и его применение

1. Горные породы и их многообразие

1.1. Понятие горных пород

Горные породы — это вещество, слагающее земную кору Состоят горные породы из минералов, однородных или неоднородных, которые твердо или рыхло соединяются.

Нередко они состоят из сцементированных обломков различных пород, иногда с присутствием вулканического стекла. Горные породы сформировались в результате внутриземных или поверхностных геологических процессов.

Строение породы определяется ее структурой и текстурой. Под структурой понимают особенности соединения минеральных зерен, их размеры и формы. Одни породы состоят из крупных кристаллических зерен; другие — из мельчайших кристаллов, видимых только в микроскоп; третьи — из стекловидного вещества; четвертые — комбинированные, когда на фоне мельчайших кристаллов или стекловидного вещества встречаются отдельные крупные кристаллы. Под текстурой понимают взаимное расположение и распределение слагающих породу минералов. Различают следующие виды текстуры:

- массивная текстура: никакого порядка в размещении минералов не наблюдается;

- слоистая: порода состоит из слоев разного состава;

- сланцевая: все минералы плоские и вытянутые в одном направлении;

- пористая: вся горная порода пронизана порами;

- пузырчатая: в горной породе есть пустоты от выделившихся газов.

1.2. Классификация горных пород

По происхождению горные породы подразделяются на:

1.Магматические породы.

2. Осадочные породы

3.Метаморфические породы.

Магматической определяется порода, образовавшаяся в результате охлаждения и затвердевания магмы. Так как магма может остывать на глубине, внутри каменной оболочки земного шара, или на земной поверхности, то магматические породы разделяются на интрузивные (внедрившиеся в толщи горных пород) и эффузивные (излившиеся). Наиболее типичными интрузивными породами считаются гранит, диорит, габбро, перидотит и др. Базальт, липарит, андезит принадлежат эффузивным породам.[1]

Анализ приведенного материала. В определении магматической породы как продукта остывания магмы нет признаков, по которым ее можно отнести к магматической. Проверить же достоверность того, что интрузивная магматическая порода является именно таковой, а не метаморфической, невозможно, потому что никто не присутствовал на глубине при охлаждении магмы. Доказать, что образец горной породы принадлежит магматической породе нельзя из-за отсутствия в нем признаков происхождения.

Для примера возьмем образец гранита, считающегося наиболее распространенной интрузивной магматической породой. Когда прошу студента или геолога объяснить, почему это магматическая порода, то в ответ слышу утверждение, что гранит сложен кристаллами, которые возникли при остывании магма. Но это признак кристаллической породы, а не магматической. Тогда показываю образец каменной соли, который состоит из кристаллов, и потому должен быть также магматической породой. Нет, каменная соль, заявляют мне, отнесена к осадочной породе. Мрамор же представляет собой пример метаморфической породы, хотя сложен кристаллами кальцита.

Эффузивные породы вообще нельзя называть магматическими, потому что возникли при остывании излившейся лавы, а не магмы. Если и давать им название по происхождению, то логически выдержанно их называть вулканогенными, как образовавшимися при извержении вулканов. Но и в таком случае остаются логические неувязки.

При извержениях вулканов лава может изливаться или выбрасываться в виде раскаленных обломков разной величины – пирокластов (пирос - огненный, класт - обломок). Эффузивные или излившиеся породы составляют только часть вулканических пород. Есть еще пирокластические, разделяющиеся на рыхлые или тефру: пепел, лапилли (горох), вулканические бомбы, и сцементированные – туфы.

Рис. 1.Вулканогенные породы

При извержениях вулканов центрального типа лавы больше выбрасывается, чем изливается.

Осадочные породы

Осадочные горные породы – породы сформировавшиеся на поверхности или в приповерхностной части Земной коры за счет осаждения продуктов экзогенных процессов. Сами экзогенные процессы по напрвленностии результатам можно условно разделить на 3 группы:

Разрушительные-промежуточные-созидательные.

К первой группе относятся:

- Гипергенез;

- геологическая деятельность ветра, водных потоков, ледников, озер и болот, подземных вод, морей.

В результате этих процессов образуются:

- рыхлый обломочный материал.

- новые минералы и минерализованные растворы.

Вновь образованный рыхлый материал и минералы могут оставаться на месте своего формирования (кора выветривания) или перемещаться. При перемещении или транспортировке и происходят промежуточные процессы. В зависимости от расстояния, скорости перемещения, объема и размеров переносимого материала и ряда других факторов могут продолжаться дальнейшее разрушение и начаться частичная аккумуляция (или осаждение) переносимого материала.[2]

Разрушение при транспортировке - это:

- превращение крупных обломков в мелкие,

- превращение угловатых обломков в окатанные,

- сортировка обломочного материала по размерам (вертикальная и латеральная).

Частичная аккумуляция происходит обычно при транспортировке материала на большие расстояния или при резкой смене условий транспортировки. Происходит разделение рыхлого материала. Одна его часть перемещается дальше, а другая оседает. При этом может происходить укрупнение размеров обломков. Так, при разрушении горных пород могут высвобождаться мелкие частицы самородного золота, платины и других элементов. При частичном осаждении за счет магкости и гибкости мелкие золотины слипаются и образуют комок золотин или самородок.

Созидательные процессы включают:

- осадконакопление или седиментогенез;

- преобразование рыхлых осадков в твердую горную породу - диагенез.

Среди главных породообразующих компонентов выделим:

1-реликтовые минералы и обломки пород - терригенный материал;

2-минералы осадочного генезиса(опал, оксиды и гидрооксиды железа, сульфаты фосфаты галоиды и т.д.)

3-органические остатки,

4-вулканический материал.

Строение осадочных пород характеризуют структура и текстура.

Структура- определяется размером и формой обломков и минералов, Текстура- их взаимным расположением и ориентировкой в пространстве.

Классификация осадочных горных пород.

Основной принцип - по вещественному составу и генезису сохраняется. В этом случае все породы делятся на 3 группы: обломочные, хемогенные и биогенные, глинистые. Такое деление детализировал Страхов, который выделил 10 групп:

1-обломочные 5-марганцовистые 8-карбонатные

2-глинистые 6-фосфатные 9-соли

3-аллитные (глиноземистые) 7-кремнистые 10-каустобиолиты

4-железистые

Между этими группами пород существуют переходные разности.

С осадочным процессом связаны разнообразные полезные ископаемые. Это бокситы, железные и марганцевые руды, соли, нефть и газ, угли и горючие сланцы и др.

С рыхлыми обломочными породами связаны россыпи золота, платины, олова, вольфрама, алмазов и др. драгоценных камней.

Сами породы используются как строительный материал, глины как адсорбент.

Согласно другой классификации осадочные породы в свою очередь разделяются на терригенные, органогенные и хемогенные (химические). Терригенные сложены неорганическими обломками и глинистыми частицами, снесенными в море с суши, земли (terra - земля). Это песок, глина, песчаник, конгломерат и др. Органогенные образовались в результате скопления остатков организмов, большей частью их скелетов. К ним относятся известняки, диатомиты, а также каустобиолиты – бурые и каменные угли. Хемогенные породы формируются при кристаллизации из воды различных солей. Самые распространенные из них каменная и калийная соли, гипс и др.

Из приведенного определения песчаник нельзя назвать осадочной породой, потому что он образовался на глубине не при выпадении осадка и вне термодинамических условий поверхностной части литосферы. Известняк из створок раковин моллюсков (ракушняк) стал таковым не на поверхности дна моря, а при погружении скоплений этих створок, также не выпадавших из морской воды. Признаков осадочного происхождения они не имеют. Относится это и к песку, например, эоловой фации.

Метаморфические породы

В том же словаре напечатано: «порода метаморфическая – основные особенности которой (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного осадочного (в парапородах) или магматического (в ортопородах) происхождения частично или полностью утрачены».

Анализ приведенного материала. Прежде всего, необходимо отметиться, что нет признаков первичного осадочного или магматического происхождения. По ним противопоставлять метаморфические породы другим типам пород невозможно. Конечно, образцы горных пород ответить не могут, происхождение на них не написано.

Под метаморфической предлагается понимать породу, изменившую форму, внешний облик. К ней относятся мрамор, кварцит, кристаллический сланец, гнейс и др. Получается, по образцу, например, гнейса можно увидеть, что он образовался в процессе метаморфизма. Ничего подобного на нем не написано. В середине XVIII в. гнейс считался первичной породой, возникшей при сотворении Земли. В конце XVIII в. по гипотезе нептунизма гнейсу приписывалась химическая природа, – появился при осаждении солей из соленого горячего первичного мирового океана. В начале XIX в. Б. Котта отвел место гнейсу в первичной коре охлаждения – земной коре, т. е. образовался он при остывании первичного расплава. И только затем с середины XIX в. гнейс стал считаться метаморфической породой. Между тем кристаллическое сложение гнейса свидетельствует, что он образовался при перекристаллизации с увеличением размера кристаллов какой-то мелкокристаллической породы.

Горных пород, не изменивших внешний облик, вообще нет. Песок образовался при разрушении гранита, гнейса, песчаника или какой-то другой породы, песчаник при цементации песчинок и т. д. Получается, все горные породы образовались за счет других пород с изменением внешнего облика, часто минерального и химического состава.

Таким образом, признаков происхождения горные породы не имеют. Отсутствие признаков происхождения не позволяет составить алгоритмы их определения, компьютерные программы. Отсутствие признаков генезиса свидетельствует, что магматических, осадочных и метаморфических пород в природе нет. Это видимый мир геологии, или вымысел.

2. Основные свойства горных пород

2.1. Физические свойства горных пород

Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

В табл.2/1 приведена классификация свойств с выделением внутри классов групп. [3]

Таблица 2.1

Классификация физических свойств горных пород

2.2. Плотностные свойства горных пород

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g₀ и объемный g вес пород, к структурным — их удельную массу r₀ , плотность (объемную массу) r, общую П и открытую пористость П₀ , коэффициент пористости К_п .

Удельный вес—это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.

_{g 0} = G_T /V_T (1)

где G_T и V_T —вес и объем твердой фазы образца.

Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5—5,0 гс/см³ .

Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:

g = G/V, (2)

где G —вес агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Объемный вес — это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Он всегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

Удельная масса — это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:

_{r 0} = m_T /V_T , (3)

где m_T и V_T — масса и объем твердой фазы образца.

Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.

r = m/V, (4)

где m—масса всех агрегатных фаз породы; V—объем, занимаемый этими фазами.

Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:

_{r 0} = g₀ /g; (5)

r = g/g, (6)

где g—ускорение свободного падения.

В отличие от удельного и объемного весов плотность является параметром вещества в строгом физическом смысле.[4]

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую — осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость П_о горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью П_и . Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью П_э . Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости К_П .

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002—0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:

П = (v / V)100%. (7)

Пористость горных пород изменяется в широких пределах — от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5—10%), средней (10—15%), повышенной (15—20%) и высокой (более 20 %).

2 .3. Механические свойства горных пород

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп:

- прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам;

- деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками;

- акустические, характеризующие условия передачи породами упругих колебаний;

- реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения;

Прочностные свойства определяют способность пород сопротивляться разрушению под действием приложенных механических напряжений. Они характеризуются пределами прочности при сжатии и растяжении, сцеплением и углом внутреннего трения.

Пределом прочности [s] называют максимальное значение напряжения, которое выдерживает образец до разрушения:

[s] = P / F (8)

где Р—разрушающая нагрузка; F—площадь, на которую действует приложенная нагрузка.

Предел прочности при одноосном сжатии образцов горных пород или, короче, прочность на сжатие [s_сж ] — наиболее широко определяемая характеристика прочности пород. Её наивысшие значения для горных пород достигают 5000 кгс/см² (наиболее прочные базальты, кварциты), минимальные значения измеряются десятками и даже единицами килограмм-сил на квадратный сантиметр (мергель, гипс, каменная соль в водонасыщенном состоянии). Прочность на сжатие пород даже одного петрографического наименования в зависимости от состава и структуры может колебаться в весьма больших пределах. Так, показатель [s_сж ] для различных базальтов изменяется в диапазоне 300—5000 кгс/см² , гранитов — 370—3800 кгс/см² . Обычно прочность пород на сжатие тем выше, чем выше их плотность.[5]

Прочность на растяжение [s_р ] горных пород значительно ниже их прочности на сжатие. Это одна из наиболее характерных особенностей горных пород, определяющих их поведение в поле механических сил. Горные породы плохо сопротивляются растягивающим усилиям, появление которых в тех или иных участках массива пород при разработке служит критерием опасности обрушений пород и разрушения горных выработок.

Отношение [(s_р /s_{c ж} ] весьма показательно для сравнительной характеристики различных пород и колеблется в пределах 1/5—1/80, чаще же всего в пределах 1/15—1/40. Верхний предел 1/5 соответствует глинистым породам, нижний — наиболее хрупким породам (гранитам, песчаникам и др.).

Прочность на срез (сдвиг} может быть охарактеризована двумя функционально связанными параметрами: сцеплением и углом внутреннего трения породы. Эту функциональную связь выражают уравнением Кулона—Мора:

t_n = s_n tgj + [t₀ ], (9)

где t_n —нормальное напряжение при срезе; (j—угол внутреннего трения; [t₀ ]—сцепление.

Сцепление [t₀ ] характеризует предельное сопротивление срезу по площадке, на которой отсутствует нормальное давление, т. е. нет


29-04-2015, 00:59