Магматические (изверженные) горные породы

Процессы, происходящие при образовании магматических гор­ных пород, и их классификация. Магматические (первичные) гор­ные породы образовались в результате извержения и остывания магмы (каменного расплава, находящегося в недрах земли). При остывании магмы внутри земной коры (рис. 4.1, а) образовавша­яся порода называется глубинной, или интрузивной. Если же поро­да произошла в результате остывания магмы, излившейся на по­верхность (рис. 4.1, б), то она называется излившейся, или эффу­зивной.

Кроме этих двух групп пород, являющихся массивными, при выбрасывании лавы из вулканов в виде брызг образуются рыхлые вулканообломочные породы — вулканические пепел и песок.

Эти породы могут быть сцементированы лавой.

Процессы, происходящие при образовании магматических гор­ных пород, и их классификация представлены на рис.

Минералогический состав магматических горных пород пред­ставлен четырьмя группами породообразующих минералов: квар­цем; полевыми шпатами; слюдами; темноокрашенными минера­лами. Последние в отличие от светлых кварца и полевых шпатов являются всегда сильно окрашенными.

Кварц (кристаллический кремнезем — Si0₂) присутствует в породах в виде непрозрачных или слабо просвечивающихся зе­рен, имеющих стеклянный блеск и окрашенных в разнообразные цвета.

Кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на кварц. Поэтому кварц почти не выветривается и его зерна являются ко­нечным остатком от разрушения пород, его содержащих. В то вре­мя как остальные минералы превращаются в тончайшие продук­ты разрушения (глину), кварц образует песок.

Полевые шпаты — это группа минералов, обладающих близким химическим составом и физическими свойствами. Мине­ралы этой группы характеризуются светлыми оттенками разнооб­разных цветов. От кварца они отличаются присущей им совершен­ной спайностью.

Полевые шпаты подразделяются на ортоклаз (прямо раскалы­вающийся) и плагиоклазы (косо раскалывающиеся).

В ортоклазе плоскости спайности образуют прямой угол, а в плагиоклазах — угол около 86°. По химическому составу ортоклаз представляет собой алюмосиликат калия, а плагиоклазы — серию минералов, крайними членами которой являются альбит (алюмо­силикат натрия) и анортит (алюмосиликат кальция). Все проме­жуточные члены между альбитом и анортитом рассматриваются как изоморфные смеси того и другого.

В альбите, в формулу которого входит 6Si0₂, содержится го­раздо больше кремнезема (68,7%), чем в анортите (43,16%), в формулу которого входит всего только 2Si0₂. Поэтому альбит и олигоклаз должны быть причислены к кислым плагиоклазам, а анортит с примыкающим к нему битовнитом — к основным. Ор­токлаз, содержащий в составе молекулы 6Si0₂, разумеется, нуж­но рассматривать как кислый полевой шпат. Все полевые шпаты легко выветриваются и превращаются в каолин — наиболее чис­тую разновидность глины.

Слюды в породах представлены в основном двумя разновид­ностями: биотитом (черная слюда) и мусковитом (прозрачная слюда). От других минералов слюды отличаются совершенной спайностью и очень низкой твердостью. Слюды в большом количестве сильно понижают механические свойства горной породы и затрудняют получение хорошего качества полированной поверхности.

Темноокрашенные минералы представлены пироксе-нами и амфиболами — двумя сходными между собой группами минералов, каждая из которых насчитывает по несколько пред­ставителей. Для пироксенов наиболее характерным минералом яв­ляется авгит, а для амфиболов — роговая обманка. Отличитель­ным признаком этих минералов является угол, образуемый плос­костями спайности; у роговой обманки он равен 124°, а у авгита — 87°. Как амфиболы, так и пироксены отличаются от остальных минералов очень темной окраской и высокой плотностью (3 ООО... 3 600 кг/м³). Выветриваются они труднее полевых шпатов.

Анализируя данные, представленные в табл. 4.1, можно сде­лать несколько выводов.

1. Содержание в минералах кремнезема понижается сверху вниз — от кварца (100% Si0₂) к темноокрашенным минералам (35...50% Si0₂). Следовательно, кислотность магматических гор­ных пород будет зависеть от преобладания тех или иных минералов.

2. Магматические горные породы составлены преимуществен­но из силикатов и алюмосиликатов. Этим они отличаются от оса­дочных пород, в которых над солями слабых кремневой и алюмокремневой кислот преобладают соли сильных кислот, в первую очередь, угольной и серной.

3. Окраска минералов изменяется от светлой (вверху таблицы) до темной (внизу таблицы), так что все кислые породы слабо ок­рашены; все основные, наоборот, окрашены сильно.

4. Породы с повышенным содержанием темных составляющих более тяжелые, чем породы светлоокрашенные.

5. Наименее стойкими к выветриванию являются породы с наи­большим содержанием полевых шпатов.

Структура магматических пород. Магматические горные поро­ды характеризуются зернисто-кристаллической (гранитной) и порфировой структурами.

Зернисто-кристаллическая структура имеет зер­на, различимые невооруженным глазом и мало отличающиеся по размеру. Эта структура характерна для глубинных пород, образую­щихся при медленном охлаждении магмы, когда кристаллы име­ют возможность расти.

Порфировая структура имеет зерна, невидимые нево­оруженным глазом. Часто на фоне такой скрытокристаллической или стекловатой массы наблюдаются отдельные крупные вкрап­ленники. Порфировая структура присуща излившимся породам. Наличие в последних вкрапленников можно объяснить тем, что кристаллизация магмы начиналась еще в недрах земли, когда тем­пература снижалась очень медленно. После излияния магмы на поверхность застывала оставшаяся масса, но уже при быстром охлаждении, поэтому она и получилась плохо закристаллизован­ной.

Порфировидная структура (т.е. структура, похожая на порфировую) является разновидностью зернисто-кристаллической структуры. Порода с такой структурой содержит вкрапленники больших размеров и имеет окружающую их основную массу зернисто-кристаллическую. Это напоминает сильно увеличенную пор­фировую структуру с вкрапленниками.

Равномерно-зернистые породы превосходят по техническим свойствам породы с порфировидной структурой, причем техни­ческие свойства (механическая прочность, стойкость к выветри­ванию) повышаются обычно с уменьшением средней величины зерна. Породы порфировой структуры по техническим свойствам стоят тем ниже, чем больше в них стекла. Стекловатые породы (обсидиан) очень хрупки.

Классификация магматических горных пород по структуре и минералогическому составу.

В центральной части в трех строках таблицы приведены глав­нейшие магматические горные породы, употребляемые в каче­стве строительного материала.

Каждому представителю глубинных пород соответствуют по два представителя излившихся пород, являющихся полными их ана­логами по минералогическому составу и отличающихся только структурой. Одна и та же магма могла застыть или на глубине, или на поверхности земли. Минералогический состав пород мы мо­жем прочитать в том же столбце таблицы сразу над ними. Например, о минералогическом составе гранита и его аналогов (кварце­вого порфира и липарита) читаем: кварц — есть, из полевых шпатов присутствует ортоклаз, темноокрашенных минералов — мало. Если мы проследим по таблице слева направо за минерало­гическим составом, то увидим, что кварца (самого кислого мине­рала), кроме как в граните и его аналогах, в других породах нет. Содержание темноокрашенных минералов (наиболее основных) возрастает от гранита к габбро, а в группе полевых шпатов пред­ставители сменяются так, что в граните и его аналогах присут­ствует наиболее кислый представитель — ортоклаз, а в габбро, диабазе и базальте — наиболее основный представитель плагиок­лазов — битовнит или анортит. По мере того как мы движемся слева направо, наблюдается уменьшение содержания Si0₂, дру­гими словами, снижение кислотности пород. Вспоминая сказан­ное в отношении минералов, можно добавить, что породы, характеризуются бо­лее высокой плотностью и более темной окраской по сравнению с породами, находящимися в левой части таблицы. С увеличением содержания темноокрашенных минералов возрастает прочность пород.

Интрузивные (глубинные) горные породы (гранит, сиенит, дио­рит и габбро) сходны между собой по своим техническим свой­ствам. Они все обладают большой плотностью, ничтожно малой пористостью и сравнительно высокой механической прочностью.

Гранит (от лат. granum — зерно) состоит из кварца — от 20 до 40 %, ортоклаза (реже — щелочного плагиоклаза) — от 40 до 60 %, слюды или роговой обманки (реже — авгита) — от 5 до 20 %. Структура гранитов преимущественно зернисто-кристаллическая, в некоторых случаях — порфировидная. Примером гранитов с порфировидной структурой может служить финляндский гранит ра-пакиви (в переводе — гнилой камень), в котором встречаются вкрапленники ортоклаза размером с куриное яйцо и более. Крас­ные граниты большинства зданий Санкт-Петербурга имеют пор-фировидное строение.

Цвет гранита определяется цветом главной его составной час­ти — ортоклаза. В зависимости от окраски ортоклаза он бывает серым, желтоватым, красноватым (до красного).

Плотность гранита составляет около 2 700 кг/м³ и повышается с увеличением в породе количества темноокрашенных минералов. Временное сопротивление сжатию для гранитов (как и вообще для всех естественных камней) колеблется в очень широком диа­пазоне — от 80 до 330 МПа. Большей прочностью обладают гра­ниты с мелкозернистой структурой. Слюда понижает прочность гранита и препятствует получению хорошей полированной по­верхности, так как легко выкрашивается, оставляя щербины. По­вышение содержания пироксенов или амфиболов, наоборот, яв ляется желательным, так как улучшаются механические свойства и способность гранитов принимать полировку.

Стойкость гранита к выветриванию достаточно высока. Лишь отдельные его представители, к которым относится финляндский гранит рапакиви, разрушаются довольно быстро.

Гранит хорошо сопротивляется истиранию и является ценным материалом для лестничных ступеней, тротуарных плит, «дорож­ной одежды». В глубинных горных породах сопротивление истира­нию повышается с возрастанием количества темноокрашенных минералов. Гранит употребляется в виде штучных камней для фун­даментов зданий, подпорных стенок, устройства набережных, внешней облицовки стен. Крупные глыбы гранита используют для колонн зданий и памятников. Гранит небольших размеров исполь­зуют при устройстве мостовых, а также дробят на щебень. Обра­ботка и отделка магматических горных пород настолько дорога (из-за высокой твердости входящих в них минералов), что они редко применяются при строительстве обычных зданий, а исполь­зуются преимущественно при строительстве особо ответственных сооружений или сооружений, представляющих большую архитек­турную ценность.

Сиенит отличается от гранита отсутствием кварца; состоит из ортоклаза и темноокрашенного минерала (чаще всего — рого­вой обманки).

Применяется сиенит так же, как и гранит, отличаясь от послед­него меньшей твердостью, повышенной вязкостью (особенно при значительном содержании роговой обманки или авгита) и спо­собностью лучше принимать полировку. Сиенит является ценным материалом для мощения дорог и получения щебня.

Диорит состоит в основном из кислого плагиоклаза и рого­вой обманки (реже — из биотита и авгита); плагиоклаз составляет в среднем 75 % породы. Диорит темнее, чем гранит и сиенит, имеет более высокую плотность (2750...3 000 кг/м³) и прочность при сжатии.

Диорит используют как дорожный материал (брусчатка, ще­бень), в виде штучных камней и в качестве декоративного мате­риала (благодаря способности отлично полироваться).

Габбро включает в себя основный плагиоклаз (около 50%) и пироксен (реже — роговую обманку). Цвет в большинстве случа­ев темно-зеленый различных оттенков до черного. Плотность со­ставляет 2 800...3 100 кг/м³, прочность при сжатии в мелкозерни­стых разновидностях — 200...280 МПа, снижаясь в крупнозерни­стых разновидностях до 100 МПа. Габбро тяжело обрабатывается, но хорошо принимает полировку.

Из декоративных разновидностей габбро особого внимания заслуживает лабрадорит — крупнозернистая порода, характеризу­ющаяся преобладанием плагиоклаза Лабрадора над другими минералами. Лабрадорит отличается так называемой иризацией (от гр. iris — радужный), т.е. игрой отблесков синего, голубого и зеле­ного цветов.

Эффузивные (излившиеся) горные породы могут не только быть плотными, но и давать сильно пористые разности, образование которых объясняется выделением газов, насыщавших магму при высоком давлении в недрах земли. При выходе на поверхность и понижении давления растворенные газы выделяются наружу и вспенивают магму в процессе ее застывания. Этим излившиеся породы отличаются от глубинных, которые в силу условий их об­разования на глубине не могут иметь пористых разновидностей.

Кварцевый порфир и липарит по химическому и ми­нералогическому составам аналогичны граниту. От гранита они отличаются порфировой структурой. Вкрапленниками в них явля­ются кварц и часто полевой шпат. Стекловатая разность кварцевых порфиров и липаритов называется обсидианом.

Цвет кварцевых порфиров и липаритов — серый, желтоватый, бледно-красный и кирпично-красный. Друг от друга кварцевый порфир и липарит отличаются своим возрастом и свежестью со­ставляющих их минералов. Кварцевые порфиры как древние по­роды подверглись более значительным изменениям и слабее ли­паритов.

Технические свойства кварцевых порфиров и липаритов повы­шаются с уменьшением количества в них вкрапленников. Поэто­му плотные фельзиты (породы без вкрапленников) принадлежат к лучшим сортам строительного камня; механическая прочность их достигает 280 МПа. Наименее выгодной является стекловатая структура, так как порода в этом случае обладает хрупкостью и легче поддается выветриванию. Все перечисленное относится и к остальным эффузивным породам.

Кварцевые порфиры и липариты используются в качестве штуч­ного камня и в виде декоративного и поделочного материала в том случае, когда они имеют красивый цвет и рисунок.

Ортоклазовый порфир и трахит представляют со­бой излившиеся аналоги сиенита. Они характеризуются повы­шенной пористостью и вследствие этого малой плотностью (2 200... 2 610 кг/м³) и невысокой прочностью при сжатии (в сред­нем 60... 70 МПа). Окраска — серая до зеленовато-серой, желтова­тая и красноватая.

Эти породы легче обрабатываются и истираются, чем описан­ные ранее. Трахит в силу пористого, ячеистого сложения не под­дается полировке, а в силу присущей ему шероховатости хорошо связывается со строительными растворами.

Порфирит и андезит по минералогическому составу аналогичны диориту. Окраска их может быть от светло- до тем­но-серой, причем порфирита характеризуются, как правило, зе­леносатыми тонами. Плотность порфиритов и андезитов состав­ляет 2 560... 2 850 кг/м³; временное сопротивление сжатию — 120...240 МПа.

Диабаз и б аз ал ьт аналогичны по минералогическому со­ставу габбро и благодаря обилию в них темноокрашенных мине­ралов характеризуются почти черной окраской и матовым туск­лым видом. Диабаз в виде брусчатки широко применялся раньше для мощения улиц. Механическая прочность диабазов почти все­гда превышает 200 МПа.

Базальт является наиболее тяжелой и наиболее прочной из рас­смотренных излившихся пород, его плотность составляет 2700...3 300 кг/м³, а прочность может достигать 500 МПа, что превосходит глубинные породы. Для базальтов характерна высо­кая хрупкость, вследствие чего они легко раскалываются. Базальт хорошо полируется, однако из-за высокой твердости трудно под­дается обработке.

Базальт применяется для ответственных инженерных сооруже­ний. Он является легкоплавкой породой, поэтому используется для получения изделий путем литья. В строительстве используются теплоизоляционные и акустические материалы на основе базаль­товой ваты.

Вулканообломочные породы являются продуктами извержения вулканов. Лавы содержат в себе в растворенном состоянии значи­тельное количество газообразных продуктов, которые или успе­вают выделиться до застывания лавы (плотные лавы), или вспе­нивают ее, придавая ей пористую или пузырчатую структуру.

Помимо потоков жидкой лавы вулканы при извержениях выб­расывают в воздух огромное количество мелких брызг лавы, обра­зующих при остывании в воздухе вулканические песок и пепел. Песок и пепел иногда сохраняются в рыхлом состоянии (пуццо­лана), а иногда подвергаются цементации, превращаясь в более или менее плотные породы, которые называются вулканически­ми туфами. Если к жидкой лаве при вулканических извержениях примешиваются рыхлые продукты вулканической деятельности, то такая порода называется туфовой лавой.

В Армении осуществляются разработки туфовой лавы вулкана Алагез, которая не совсем правильно называется артикским ту­фом. Артикский туф является ценным стеновым материалом, од­нако требует обязательного оштукатуривания стен снаружи.

Артикский туф представляет собой пористую (пористость состав­ляет 57...60%) породу розовато-фиолетового цвета с различными оттенками. Плотность породы в среднем составляет 1 200 кг/м³. Ко­эффициент внутренней теплопроводности артикского туфа в су­хом состоянии в 2 раза меньше, чем красного кирпича, следова­тельно, толщина стены из артикского туфа может быть уменьше­на вдвое по сравнению с кирпичной. Механическая прочность артикского туфа небольшая (в среднем 10,5 МПа), но вполне до­статочная для применения его в стенах зданий. Артикский туф морозостоек, легко обрабатывается и обладает гвоздимостью (при­нимает и удерживает вбиваемые в него гвозди).