Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород.
Общее определение
К осадочным относят горные породы, встречающиеся в свойственных для поверхности земной коры условиях, формирующиеся путем переотложения продуктов выветривания пород, механического и химического осаждения, отложения органических остатков.
Исследованием осадочных пород занимается литология. Актуальность их изучения определяется следующими факторами. Во-первых, большая часть поверхности планеты покрыта породами рассматриваемого типа (¾ поверхности материков). Следовательно, в основном с ними взаимодействуют люди в процессе жизнедеятельности. Во-вторых, к осадочным породам приурочена большая часть месторождений. В-третьих, они содержат сохранившиеся остатки древних организмов, что используется в изучении истории планеты.
Классификации
Существуют различные классификации осадочных пород. Наиболее обширно распространенным и часто используемым является вариант, основанный на их происхождении. Данная классификация предполагает их подразделение на
Механогенные - сохранившие устойчивые минеральные ассоциации продукты механического разрушения пород,
Хемогенные - сформированные путем выпадения из растворов,
Органогенные - образованные также способом осаждения, но органических веществ,
Смешанные - переходные типы, сформированные в результате смешения материалов разного генезиса.
Механогенные породы дифференцируют на основе следующих признаков:
по наличию связи обломков: рыхлые, сцементированные;
по форме обломков (для псефитовой фракции): угловатые, окатанные.
Причем названные классификации взаимосвязаны. Так, в псефитовую фракцию рыхлых пород входят глыбы, дресва, щебень (неокатанные) и валуны, гравий, галька (окатанные). Среди сцементированных пород им соответствуют брекчии (неокатанные) и конгломераты (окатанные). К меньшим фракциям относятся пески (псаммитовая) и алевриты (алевритовая) для рыхлых пород и песчаники и алевролиты соответственно для сцементированных. Пелитовая фракция представлена только окатанными частицами: глиной (рыхлая) и аргиллитом (сцементированная).
Нужно отметить, что механогенные породы обозначают также терминами «обломочные» и «терригенные». Первый отражает механизм переноса и формирования, второй — состав, третий — источник исходного материала (хотя такие породы формируются и в подводных условиях).
Хемогенные породы также классифицируют по размеру частиц: грубо- (>1 мм), крупно- (1 — 0,5 мм), средне- (0,5 — 0,1 мм), мелко- (0,1 — 0,05 мм), тонкозернистая (0,05 — 0,01 мм), пелитоморфная ( Кроме того, осадочные породы дифференцируют по составу на глинистые, обломочные, марганцевые, железистые, глауконитовые, глиноземистые, фосфатные, кремнистые, соли, карбонатные, каустобиолиты и др.
Происхождение
Хемогенные и обломочные типы в качестве исходного материала имеют осадки. Они формируются на поверхности, в приповерхностной части планеты, в водоемах. Органогенные породы образуются из осажденного материала только частично. На основе этого существует мнение о неуместности термина «осадочные горные породы». Например, В.Т. Фролов предложил вместо него термин «экзолит».
Образование осадочных пород, называемое литогенезом, дифференцировано на три этапа:
Диагенез
Катагенез
Метагенез
К тому же к литогенезу причисляют процессы, связанные с исходным материалом: его формирование, перенос и накопление. Далее рассмотрен каждый из них.
Формирование осадочного материала осуществляется путем выветривания горных пород. Данный термин объединяет процессы химического и физического воздействия, приводящие к их разрушению. К физическому выветриванию относят механическую деятельность ветра, тектонических процессов, воды и т. д., а также температурные колебания (морозное). Химическое выветривание состоит во взаимодействии горных пород с активными веществами, в основном водой, кислородом, углекислым газом, минеральными и органическими кислотами. Органическое выветривание состоит в химическом и физическом воздействии организмов и продуктов их жизнедеятельности. Породы подвергаются физическому и химическому разрушению одновременно.
Полученный при выветривании материал чаще всего уносится с места образования в наиболее благоприятные для его накопления участки. Это осуществляется с участием, прежде всего, воды и ветра, силы тяжести (в склоновых процессах), органической и антропогенной деятельности. Причем для различных природных зон характерно преобладание определенных агентов переноса обломочного материала. Так, в пустынях в областях аридного климата основная роль принадлежит эоловым процессам, в зоне вечной мерзлоты (нивальный климат) перенос обломочного материала осуществляется в основном глетчерами.
Дальность его перемещения определяется, прежде всего, размером частиц (обратная зависимость). В некоторых случаях ведущее значение имеют особенности агента переноса. Так, отмеченная выше закономерность сортировки материала по дальности переноса в зависимости от размера наиболее характерна для ветра и воды, в то время как при склоновых процессах и глетчерном переносе размер обломков не имеет значения. Следует отметить особенности водного переноса. Вода является основным агентом в районах избыточного увлажнения (тропический, гумидный, умеренный климат). Основное ее свойство состоит в том, что перемещение материала осуществляется во взвешенном и растворенном состояниях. Как было сказано, при первом виде переноса происходит сортировка материала по дальности в зависимости от размера частиц: при снижении скорости течения осуществляется отложение обломков в порядке: глыбы, валуны, галька, гравий, песок, алеврит, пелит. Эту закономерность описывает закон механической осадочной дифференциации. Выпадение растворенных веществ обусловлено изменением геохимических условий.
Перемещаемый материал накапливается преимущественно в пониженных участках. Интенсивность данного процесса определяется интенсивностью поступления: в устьях крупных горных рек она достигает метров в год, в то время как на дне океана равна долям миллиметра в год. При постоянстве тектонических условий формируется однородная осадочная толща, а в случае их изменения наблюдается переслаивание осадков различного строения и состава. При осаждении продолжается осадочная дифференциация, то есть сортировка материала и избирательный переход в твердую фазу газообразных и жидких веществ. Однако происходит и обратный процесс – интеграция, под которой понимают смешивание осадочного материала, переносимого различными агентами. Это приводит к формированию смешанных пород, состоящих из частиц различного размера либо происхождения.
Диагенез состоит в физико-химическом взаимодействии компонентов осадочного материала, представленного неравновесной системой из газовой, твердой и жидкой фаз, при органическом участии. В том числе осуществляется его уплотнение под давлением вышележащих слоев, а в дальнейшем – обезвоживание и перекристаллизация. В связи с этим следует отметить, что диагенез происходит чаще всего в толще, мощностью 10 – 50 м. Кроме того, в результате взаимодействия компонентов осадочного материала и влияния на них факторов окружающей среды удаляются неустойчивые элементы вследствие растворения, и в то же время формируются устойчивые минеральные новообразования. К тому же в результате разложения отмерших органических остатков изменяются кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные параметры осадочного материала. К завершению диагенеза, который может продолжаться до сотен тыс. лет, органическая деятельность прекращается, и между окружающей средой и осадком устанавливается равновесие.
В ходе катагенеза преобразуется строение осадка, его физические параметры и химико-минералогический состав под воздействием таких факторов, как давление, газообразные вещества, температура, растворенные в воде соли, pH, радиоактивное излучение, Eh. К тому же продолжаются процессы, происходившие на прошлом этапе: уплотнение осадка, обезвоживание, растворение неустойчивых соединений, перекристаллизация и формирование новых минералов. Направленность и интенсивность преобразований обусловлены в основном составом и физическими параметрами осадочного материала.
Для метагенеза характерны те же факторы, что и для катагенеза, но с большей интенсивностью (выше температура, газонасыщенность и минерализация вод, другие значения Eh и pH). Под их воздействием продолжается изменение структуры, состоящее в увеличении зерен, упорядочении ориентировки, перекристаллизации с удалением органических остатков. Кроме того, происходит окончательное уплотнение. Метагенез оканчивается преобразованием осадочных пород в метаморфические.
Заключение
Человечество в процессе жизнедеятельности взаимодействуют преимущественно с осадочными породами, а особенно с обломочными, наиболее распространенными на поверхности суши. Это связано с особо интенсивным выветриванием и, следовательно, осадконакоплением в данных условиях. Органогенные горные породы приурочены преимущественно к водоемам. Так, они покрывают большую часть дна Мирового океана. На суше встречаются в речных, болотных, озерных отложениях. Хемогенные породы характерны для специфических участков смены геохимических условий.
Типичные представители
Валуны (валунный камень) состоят из грубоокатанных обломков, обработанных и перенесенных водой или ледником. По генезису валунный камень может быть ледниковым, речным, морским, озерным. Более мелкие его разновидности размером 120... 300 мм называют булыжным камнем. Крупный валунный камень, поступающий на строительство, нуждается в предварительной переработке на штучный материал - шашку, бутовый камень и др.
Галька и гравий образуются аналогично первому, при переносе обломков на большие расстояния реками, горными потоками, а также под действием морского прибоя, приобретая при этом различную степень окатанности и сортировки. Качество гравия обусловливается его генезисом, минеральным составом, содержанием глинистых и органических примесей и пр. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан. Гравий применяется в железобетонных сооружениях, дорожном строительстве и как фильтрующий материал.
Глыбы, щебень и дресва представляют собой скопления угловатых обломков скальных пород, разнородных по минеральному составу. Эти отложения особенно характерны для пустынных и полярных районов с интенсивно протекающими процессами физического выветривания. Они достаточно широко распространены в средней и северной полосе европейской части нашей страны.
Песчаные (среднеобломочные) породы представляют собой рыхлую смесь зерен с размерами от 1 до 0,1 мм. Их принято разделять по крупности зерен на крупнозернистые с диаметром частиц от 1 до 0,5 мм; среднезернистые - 0,5 ...0,25 мм; мелкозернистые - от 0,25 до 0,1 мм. Пески состоят преимущественно из кварца, наиболее устойчивого к химическому выветриванию минерала. Чистые кварцевые пески светлой окраски являются мономинеральными породами. Смешанные (полимиктовые) пески состоят из смеси минералов, в которых кроме кварца находятся полевые шпаты, слюды, амфиболы и др. Среди них наибольшее распространение имеют аркозовые пески красного или серого цвета, преимущественно кислого полевошпатового состава, с небольшой примесью кварца и других минералов. Наибольшей чистотой и однородностью зерен отличаются морские и эоловые отложения; морские и речные пески имеют окатанную, а ледниковые - угловатую, наиболее благоприятную для строительных целей, форму зерен. Вредной примесью к пескам являются глинистые и пылеватые фракции (0,05... 0,005 мм). При оценке качества песка как строительного материала учитывают его минеральный и гранулометрический составы, форму зерен, пористость, коэффициент фильтрации и др. Плотность песков составляет 2,64 г/см3, а средняя плотность—1800 кг/м3. Они являются главным сырьем для получения керамики, динаса, стекол, бетонов и растворов, кирпича; используются для дорожных покрытий, в абразивном производстве. Распространены повсеместно.
Пылеватые (мелкообломочные) породы состоят из частиц размером от 0,1 до 0,01 мм и отличаются от песчаных содержанием более мелких частиц. Представителем этих пород является лёсс—светлоокрашенная пористая (46 ...50%) порода, содержащая кварц, полевые шпаты, до 30% кальцита и до 50% глинистых минералов. Плотность лёссов составляет 2,5 ...2,8 г/см3, а средняя плотность - 1200 ... 1800 кг/м3.
Они отличаются просадочностью, легко размокают в воде. Используются в цементной промышленности как добавка в бетоны, в производстве кирпича, черепицы и др. Распространены в европейской части нашей страны, на юге Украины, в Средней Азии, южной Сибири.
Глинистые (тонкообломочные) породы состоят более чем наполовину из мельчайших (менее 0,01 ... 0,001 мм) чешуеобразных частиц глинистых минералов, среди которых не менее 25% имеют размеры менее 0,001 мм. Глины образуются при выветривании полевошпатовых и некоторых других силикатных пород и состоят преимущественно из глинистых минералов типа каолинита, монтмориллонита и гидрослюд с примесью кварца, слюды, вторичного кальцита, опала и др. Большинство глин являются полиминеральными, однако среди них имеются наиболее ценные мономинеральные: каолинитовые и монтмориллонитовые разновидности. Главным фактором при применении глин в строительстве и производстве строительных материалов является их минеральный состав.
Полиминеральные глины являются сырьем для производства кирпично-черепичных изделий, грубой керамики, глинозема, огнеупоров и т. д.
Каолинитовые глины сложены в основном каолинитом и сравнительно свободны от примесей оксидов железа. Они представляют собой белые тонкозернистые, жирные на ощупь малопластичные породы, являющиеся продуктами разложения (гидролиза) алюмосиликатов диссоциированной водой, содержащей свободные ионы водорода и растворенную СО2.
Каолинитовые глины являются континентальными отложениями и образуются в условиях кислой среды. Они используются в производстве фарфоро-фаянсовых изделий, цемента, шамота. Месторождения каолинитовых глин находятся на Украине, Урале, в Сибири и др.
Монтмориллонитовые глины появляются при разложении вулканических пеплов в щелочной среде. Среди них выделяются сильно набухающие в воде натровые глины с преобладанием катиона Na над катионами Са, Mg и К и неразбухающие кальциевые - с преобладанием Са над катионами Na и Mg. К первым относятся бентониты и флоридины, породы белой, серовато-белой, розоватой и другой окраски, характерной особенностью которых является сильное набухание при увлажнении с увеличением объема примерно в 16 раз и более и высокая адсорбционная способность. Большинство этих глин обладает резко выраженной пластичностью при затворении водой, сохраняя при высыхании приданную им форму, а после обжига образуют камневидные массы. С увеличением в глинах механических примесей пластичность их быстро снижается. Монтмориллонитовые глины применяются как замечательные адсорбенты, так как обладают высокой поглотительной способностью. Их месторождения имеются в Грузии, Крыму, Приднепровье, Закарпатье, Средней Азии.
Сцементированные обломочные породы образовались путем цементации рыхлых пород разнообразными химическими веществами. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент (вторичный кварц, опал, халцедон), менее прочны железистый (лимонит), карбонатный (кальцит) и малой цементирующей способностью отличается глинистый цемент. Ниже приводится описание главных представителей этой группы.
Брекчии представляют собой компактные породы, состоящие из угловатых обломков дресвы или щебня, сцементированных каким-либо цементом. Петрографический состав этих обломков отличается однородностью. Угловатая форма обломков обеспечивает хорошее сцепление их с природными цементами, поэтому брекчии при некоторых видах цементов имеют достаточно высокую прочность и используются как отделочные камни. Брекчии имеют ограниченное распространение.
Конгломераты - сцементированные природным цементом скопления гальки, гравия, мелких валунов и др., отличающиеся от брекчий пестротой петрографического состава, широким диапазоном прочности от 5 до 160 МПа и изменением средней плотности в интервале 1500 … 2900 кг/м3. По сравнению с брекчиями конгломераты отличаются меньшей прочностью, так как окатанный обломочный материал довольно слабо связывается с цементом. Практическое значение этих пород невелико, однако их характерная структура (вяжущее рыхлый материал) является прототипом самой распространенной структуры ИСК. Слабо сцементированные их разновидности используются для получения балласта, а красивые - как отделочные декоративные камни. Мощные отложения конгломератов известны в Крыму и Средней Азии.
Песчаники образуются путем цементации зерен песка при просачивании через них разнообразных минеральных растворов. В зависимости от разновидности цементов различают кремнистые, известковые, железистые, гипсовые, глинистые, битуминозные и другие виды песчаников. Их прочность определяется видом природного цемента, характером его сцепления с зернами песка, плотностью породы. Она колеблется в широких пределах от 1 до 150 МПа и выше, а средняя плотность - от 1900 до 2800 кг/м3. Наиболее прочными (100... 150 МПа и более) являются кремнистые песчаники со средней плотностью до 2800 кг/м3. Малой прочностью отличаются глинистые песчаники, легко разрушающиеся при насыщении водой или циклическом замораживании и оттаивании; известковые песчаники неводостойки. В битуминозных песчаниках битум, пропитывающий толщи пород, составляет до 20% их массы. Окраска песчаников зависит от цемента: кремнистые и известковые имеют белые и светлые тона, железистые - желтые и красноватые и т. д. Они широко распространены в Карелии, на Украине, в Поволжье и др. и используются для получения стенового камня, бута, щебня, а также декоративного отделочного материала. Их разновидности, содержащие не менее 97% кремнезема, идут на изготовление кислотоупорных материалов и сырья, для получения огнеупоров, абразивов и др.
