Магматические глубинные горные породы

Магматические глубинные горные породы такие как (граниты, сиениты, диориты, габро и другие) образовались в результате медленного охлаждения магмы на большой глубине  и в результате полной кристаллизации магмы под значительным давлением в глубине недр. Магматические горные породы в зависимости от условий образования подразделяются на интрузивные и эффузивные.

◊ Общая характеристика

Образование магматических пород тесно связано со сложнейшими проблемами происхождения магм и строения Земли. Согласно современным представлениям Земля имеет концентрически-зональное строение и состоит из ядра, промежуточной оболочки (или мантии) и внешней оболочки — коры. Последняя, в свою очередь, имеет три слоя: нижний — базальтовый, выше него — гранитный и верхний — тонкий чехол осадочных пород (рис. 1).

Рисунок-1. Схема строения земной коры (по В. Е. Хаину, 1964):

1 — осадочный чехол; 2 — гранитный слой; 3 — базальтовый слой; 4 — верхняя мантия перидотитового состава; 5 — верхняя мантия эклогитового (гранитооироксенового) состава; 5 — 7, 10 — 12 и т. д. — средние мощности (в км)

Базальтовый слой коры состоит из пород основного состава. В пределах океанов верхняя его часть доступна непосредственному изучению; мощность базальтового слоя под океанами не превышает 5 — 6 км, тогда как в пределах континентов она достигает 40 км. Гранитный слой состоит преимущественно из пород кислого состава и различных метаморфических пород. Этот слой развит в пределах континентов и континентальных склонов. Мощность его колеблется от 10 км в пределах платформ до 30 км в складчатых областях. Общая мощность земной коры на платформах составляет 30 — 40 км, в складчатых зонах достигает 30 — 70 км.

Читай также классификация горных пород

В зависимости от условий образования выделяют все основные группы магматических пород — интрузивные и эффузивные. Интрузивные — это породы, образовавшиеся при застывании магмы на разной глубине в земной коре. Эффузивные породы образовались при вулканической деятельности, излиянии магмы из глубин и затвердевании на поверхности. В составе интрузивных пород в зависимости от глубины образования различают глубинные (абиссальные) и полуглубинные (гипабиссальные) породы.

Породообразующие минералы

Основными породообразующими минералами магматических пород являются: 1) кварц (и его разновидности); 2) полевые шпаты;. 3) железисто-магнезиальные силикаты. Все эти минералы отличаются друг от друга по свойствам, поэтому преобладание в породе тех или иных минералов меняет ее строительные свойства: прочность, стойкость, вязкость и способность к обработке (к полировке, шлифовке и т. п.).

Кварц, состоящий из двуокиси кремния (Si02) в кристаллической форме, является одним из самых прочных и стойких минералов. Он обладает: 1) исключительно высокой прочностью при сжатии (до 2000 МПа) и высокой для хрупких материалов прочностью при растяжении (около 100 МПа); 2) высокой твердостью,, уступающей только твердости топаза, корунда и алмаза; 3) весьма высокой кислотостойкостью и вообще химической стойкостью при обычной температуре; из кислот на него действует фтористоводородная кислота и горячая фосфорная; едкие и углекислые щелочи вступают во взаимодействие с кварцем при повышенной температуре; 4) высокой огнеупорностью — плавится при температуре’ около 1700°С.

Благодаря высокой прочности и химической стойкости кварц остается почти неизменным при выветривании магматических пород, к состав которых он входит (например, при разрушении гранитов). Поэтому является также одним из самых важных минералов и в. осадочных породах (в песчаниках и кварцевых песках).

Полевые шпаты — это самые распространенные минералы в магматических породах (до 2/3 от обшей массы породы). Они представляют собой, так же как и кварц, светлые составные части пород (белые, розоватые, красные и т. п.). Главной разновидностью полевых шпатов являются ортоклаз и плагиоклазы. Ортоклаз-K2O·Al2O3·6SiO2 или K[AlSi3O8](«по- гречески прямораскалывающийся») характеризуется следующими свойствами : угол между спайностями 90°, твердость 6-6,5, плотность 2,57 г/см³, плавится при 1170°С, полное расплавление при 1450°С. Встречается в кислых ( гранит) и средних ( сиенит) по кислотности магматических породах.

Плагиоклазы ( по- гречески «косораскалывающиеся») образуют изоморфный ряд от альбита -Na2O·Al2O3·6SiO2 или Na[AlSi3O3],входящего в состав кислых пород, до анортита-CaO·Al2O3·2SiO2 или Ca[Al2Si2O8],характерного для основных пород ( габбро, базальт и др.). По сравнению с кварцем полевые шпаты обладают значительно меньщей прочностью(120-170 МПа на сжатие) и стойкостью, поэтому они реже встречаются в осадочных породах( главным образом, в виде полевошпатовых песков).

Выветривание полевых шпатов происходит под влиянием воды, содержащей углекислоту. Результатом выветривания является новый минерал — каолинит (важнейшая часть самой распространенной осадочной породы — глины). К цветным (темноокрашенным) минералам, встречающимся в магматических породах, относятся железомагнезиальные и магнезиальные силикаты и некоторые алюмосиликаты.

В группе железо-магнезиальных силикатов наиболее распространены оливин, пироксены (например, авгит), амфиболы (роговая обманка). Среди магнезиальных силикатов встречаются вторичные минералы, чаще всего замещающие оливин — серпентин хризотиласбест.

В группе алюмосиликатов наиболее распространены слюды: 1) обыкновенные — мусковит (почти бесцветный), флогопит и биотит (темного цвета), 2) гидрослюды — гидромусковит, гидробиотит. Твердость слюд 2 — 3. Все вышеперечисленные минералы, за исключением мусковита и гидромусковита, отличаются от кварца и полевых шпатов темной окраской (зеленого, темно-зеленого, иногда черного цвета).

Характерными свойствами цветных минералов (за исключением слюд) являются высокая прочность и вязкость, а также повышенная плотность по сравнению с другими минералами, которые входят в состав магматических пород. Увеличение содержания цветных минералов (за исключением алюмосиликатов) придает породам высокую прочность, вязкость т стойкость против выветривания.

Водные алюмосиликаты (слюды) являются нежелательной составной частью пород. Они понижают прочность пород, ускоряют их выветривание и затрудняют шлифовку и полировку, так как в. результате совершенной спайности слюды весьма легко разделяются на очень тонкие пластинки. Слюды встречаются и в песках, где также считаются вредной примесью. Бетоны и строительные растворы на песке с значительным содержанием слюды обладают пониженной морозостойкостью. Для специальных отделочных штукатурок в растворы иногда намеренно вводят слюду в целях достижения определенного художественного эффекта.

Интрузивные породы

◊ Интрузивные абиссальные горные породы

Магматические породы, образующиеся в различной геологической обстановке, отличаются специфическими признаками, к которым прежде всего относятся форма магматических тел и их взаимоотношения с вмещающими породами. По классификации Р. Дэли интрузивные тела в зависимости от их взаимоотношений с вмещающими породами делят на согласные (рис. 2, а) и несогласные( рис. 2, б)

Рисунок-2. Схематическое изображение интрузивных тел (черное):

а — согласных: 1 — лакколит; 2 — лополит; 3 — силы; 4 — факолиты; б — несогласных: 1 — батолит; 2 — шток. Точки — контактовый ореол метаморфических пород.

Особенности строения горных пород, зависящие от условий образования, выражаются в структурных и текстурных признаках.

Структура определяется степенью кристалличности и размерами зерен, а также формой и взаимными отношениями составных частей породы.

При медленном остывании магмы в глубинных условиях возникают полнокристаллические структуры. По размерам зерен среди; кристаллических пород выделяют: крупнозернистые (средний размер зерен более 5 мм), среднезернистые (1 — 5 мм) и мелкозернистые (0,5 — 1 мм), а также равномерно-зернистые и неравномернозернистые структуры (рис. 3).

Рисунок-3. Типы структур (схемы):

 

а — неравномернозернистая; б — равномернозернистая

Текстура — совокупность признаков, определяемых расположением и распределением составных частей породы относительно друг друга в занимаемом ими пространстве. Подавляющее большинство магматических пород характеризуется массивной текстурой.

Следствием медленного охлаждения магмы является ряд общих свойств для разных глубинных горных пород: весьма малая пористость и, следовательно, большая объемная масса и высокая прочность. Кроме того, в связи с очень малой пористостью эти породы обычно обладают весьма низким водопоглощением, морозостойки и сравнительно высокотеплопроводны. Обработка таких пород из-за их высокой прочности затруднительна. Однако благодаря высокой плотности они хорошо полируются и шлифуются.

Средние показатели важнейших строительных свойств таких пород: прочность при сжатии — 100 — 300 МПа; объемная масса — 2600 — 3000 кг/м³; водопоглощение — меньше 1 % по объему; теплопроводность — около 3 Вт/ (м·°С).

Граниты обладают благоприятным для строительного камня минеральным составом, отличающимся высоким содержанием кварца-(25 — 30%), натриево-калиевых шпатов (35 — 40%) и плагиоклаза, (20 — 25%), обычно небольшим количеством слюды (5 — 10%) и отсутствием сульфидов. Граниты имеют высокую механическую прочность при сжатии — 120 — 250 МПа (иногда до 300 МПа). Сопротивление растяжению, как у всех каменных материалов, относительно невысокое и составляет лишь около 1/30 — 1/40 от сопротивления сжатию.

Необходимо отметить, что в каменных материалах вследствие хрупкости сравнительно легко могут появиться тонкие (волосные) местные трещинки — от взрывов при добыче, от ударов, резких колебаний температуры и т. п. Эти трещинки оказывают сравнительно, небольшое влияние на предел прочности при сжатии, но могут значительно понизить прочность на растяжение.

Одним из важнейших свойств гранитов является также малая пористость, не превышающая 1,5%, что обусловливает водопоглощение около 0,5% (по объему). Поэтому морозостойкость их высокая. Огнестойкость гранита недостаточна, так как он растрескивается при температурах выше 600°С вследствие полиморфных превращений кварца. Гранит, так же как и большинство других плотных магматических пород, обладает высоким сопротивлением истиранию.

Граниты весьма разнообразны по цвету, зависящему в основном от окраски полевых шпатов, которые могут быть белыми, серыми, желтыми, розовыми, красными. Различные сочетания отдельных компонентов и изменение структуры обусловливают разнообразие цветов, оттенков и декоративного рисунка гранитов, поэтому граниты являются прекрасным облицовочным декоративным материалом.

В связи с высокой прочностью на сжатие, морозостойкостью граниты применяют для защитной облицовки набережных, устоев мостов, цоколей зданий, а также в качестве щебня для высокопрочных я морозостойких бетонов. Кроме этого, благодаря значительной кислотостойкости граниты применяют в качестве кислотоупорной облицовки.

Из всех изверженных пород граниты наиболее широко используют в строительстве, так как они являются самой распространенной из глубинных магматических пород. Остальные глубинные породы (сиениты, диориты, габбро и др.) встречаются и применяются значительно реже.

Сиениты. Горные породы группы сиенитов занимают около 2,6% магматических пород. Породы эти окрашены в розовые, серые и зеленоватые тона, что зависит от цвета полевых шпатов. Сиениты состоят из калиевых (50 — 70%) и натриевых полевых шпатов (10 — 30%), цветных минералов (10 — 20%). Если присутствует кварц (10 — 15%), то породу называют кварцевым сиенитом. По физико-механическим свойствам сиениты близки к гранитам, несколько уступая им в прочности из-за отсутствия кварца.

Гранодиориты менее распространены, чем граниты, и отличаются от них меньшим содержанием кварца (20 — 25%), повышенным количеством цветных минералов (15 — 20%), в составе которых преобладает роговая обманка, поэтому эти породы темнее гранитов. В гранодиоритах всегда присутствует полевой шпат (45 — 50%). Гранодиориты по механической прочности уступают гранитам, что связано с меньшим содержанием кварца. Подобно гранитам, они находят в строительстве самое разнообразное применение — от бута и щебня до облицовочного и скульптурного камня.

Диориты и кварцевые диориты. Это породы серого цвета; состоят они из плагиоклаза (65 — 70%) и роговой обманки, иногда вместе о пироксенами или биотитом, составляющими в сумме около 25 — 30%. Структура породы равномернозернистая, средне- или мелкозернистая. Текстура массивная или пятнистая, что обусловлено наличием обособлений (шлиров), обогащенных темноцветными минералами.

Кварцевые диориты характеризуются присутствием кварца в количестве 5 — 20% и меньшим содержанием роговой обманки. Структура и текстура аналогичны диоритам.

Физико-механические свойства диоритов характеризуются следующими показателями: объемной массой — 2,9 г/см3, пределом прочности при сжатии 180 — 240 МПа. Наиболее прочны диориты с мелко- и среднезернистой структурой, массивной текстурой и с повышенным содержанием роговой обманки. Разности, включающие биотит, имеют пониженную прочность. Диориты и особенно кварцевые диориты превосходят по прочности граниты и сиениты.

Габброиды. Среди габброидов важнейшими являются габбро и анортозиты. Габбро — порода в свежем состоянии темно-серого или почти черного цвета, что объясняется темной окраской плагиоклазов и высоким содержанием цветных минералов. В результате вторичных изменений плагиоклазы приобретают светло-серый и зеленовато-серый цвет.

Типичное габбро состоит примерно из равного количества натриево-кальциевого полевого шпата и моноклинного пироксена. В очень малых количествах в габбро могут присутствовать оливин, ромбический пироксен, роговая обманка, биотит. Постоянными компонентами габброидов являются магнетит и титаномагнетит.

Анортозиты представляют собой темноокрашенные породы, состоящие почти из одного натриево-кальциевого полевого шпата — Лабрадора. Эти породы благодаря иризирующему свойству (иризация — яркий цветной отлив на гранях или плоскостях спайности Лабрадора) применяют в строительстве в качестве облицовочного камня. .

Для пород группы габбро характерна объемная масса 2,99 г/см³, большая прочность (при сжатии 200 — 280 МПа) и достаточно высокая стойкость против выветривания.

Красивый вид и хорошая полируемость позволяют применять наиболее декоративные разновидности габбровых пород и лабрадоритов в качестве ценной облицовки. Так, темные и светлые лабрадориты с синим оттенком использованы для облицовки Мавзолея В. И. Ленина, памятника неизвестному солдату и ряда других выдающихся сооружений.

Перидотиты — черные породы, иногда с зеленоватым оттенком, обычно среднезернистой структуры. Текстура массивная, нередко пятнистая или полосчатая. В составе перидотитов присутствует оливин в количестве 30 — 70% и пироксены 70 — 30%. Используются для получения щебня. Свойственная перидотитам эллипсоидальная отдельность не позволяет использовать их в качестве штучного камня, а большая твердость камня вызывает большие расходы на разработку месторождений.

◊ Интрузивные гипабиссальные горные породы
Гипабиссальная горная порода — магматическая порода, образовавшаяся при кристаллизации магмы на небольших глубинах и занимающая по условиям залегания и структуре промежуточное положение между глубинными (абиссальными) и излившимися (эффузивными) породами. Гипабиссальные породы, так же как и абиссальные, образуют согласные и несогласные тела (рис. 4).

Рисунок-4. Формы интузивных тел:

а — внедрение интузивного тела согласно границам вулканогенно-осадочной толщи; 1 — песчаники мелкозернистые; 2 — песчаники крупнозернистые; 3 — лава среднего состава; 4 — интрузия андезитовых порфиритов; 6 — дайка (пластинообразное магматическое тело) диоритовых порфиритов, прорвавшая толщу осадочных пород; 1 — известняки; 2 — мергели; 3 — доломиты; 4 — органогенные песчаники; 5 — дайка диоритовых порфиритов

При кристаллизации магмы в приповерхностных условиях образуются полнокристаллические неравномернозернистые и неполнокристаллические структуры. В связи с тем, что скорость выделения минералов из магматического расплава при его кристаллизации различна, в гипабиссальных условиях не все минералы успевают в одинаковой степени выкристаллизоваться и принять свойственную им форму.

Среди неравномернозернистых структур выделяют порфировидные и порфировые структуры. Порфировидные структуры обусловлены наличием относительно крупных кристаллов на фоне полнокристаллической основной массы породы. Порфировые структуры характеризуются наличием хорошо образованных кристаллов — порфировых «вкрапленников», погруженных в стекловидную основную массу породы.

Структура — существенный признак, определяющий физико-механические свойства породы. Наиболее прочными являются равномерносреднезернистые породы, тогда как породы такого же минерального состава, но крупнозернистой порфировидной структуры быстрее разрушаются как при механическом воздействии, так и при резких колебаниях температур.

Из гипабиссальных интрузивных пород в строительстве наиболее широко применяют кварцевые и бескварцевые (полевошпатовые) порфиры. Кварцевые порфиры по своему минеральному составу близки к гранитам. Прочность, пористость, водопоглощенне у порфиров в общем сходны с показателями этих свойств, присущими гранитам. Но порфиры более хрупки и менее стойки вследствие наличия крупных вкраплений. Бескварцевые (полевошпатовые) порфиры по своему составу близки к сиенитам, но в связи с иным генезисом обладают худшими физико-механическими свойствами.

Эффузивные породы

Эффузивные породы образовались в результате излияния магмы, ее охлаждения и застывания на поверхности земли, поэтому в большинстве случаев они состоят из отдельных кристаллов, вкрапленных в основную мелкокристаллическую, скрытокристаллическую и даже стекловатую массу. Выделяют следующие две группы эффузивных тел: 1) тела, связанные с излияниями магмы-потоки (рис. 5, а, б) и 2) тела, возникшие в результате деятельности вулканов центрального типа — некки, купола (рис. 5, в).

Рисунок-5. Формы эффузивных тел:

а — схема лавовой дайки на Этне; б — поток стекловатой лавы, вливающийся в озеро; в — центральный купол Везувия сливовым потоком (1892)

Текстуры эффузивных пород, в отличие от интрузивных, неоднородны: 1) флюидальная текстура определяется характером течения лавы; 2) пористая — наличием округлых или неправильных пустот, возникших в результате выделения газов при охлаждении магмы; 3) миндалекаменная образуется при заполнении пустот вторичными минералами — опалом, халцедоном и др.

Эффузивные породы в результате неравномерного распределения минеральных компонентов сравнительно легко разрушаются при выветривании и под воздействием внешних условий, а также обнаруживают анизотропность механических свойств. Различают эффузивы: излившиеся плотные и излившиеся пористые. К плотным эффузивным породам относят трахиты, липариты, андезиты, базальты, диабазы.

Трахиты. По своему минеральному и химическому составу трахиты схожи с сиенитами, но более пористы. Поэтому предел прочности при сжатии трахитов невысок (60 — 70 МПа), а морозостойкость ниже, чем у сиенитов. Трахиты легко обрабатываются, но не полируются. Трахиты используют как кислотоупорный материал и отчасти в качестве строительного камня.

Излившиеся аналоги гранитов представлены липаритами. Среди эффузивных пород кислого состава широко распространены вулканические стекла с полным отсутствием или небольшим количеством кристаллов.

В зависимости от содержания воды выделяют следующие разновидности вулканических стекол: обсидиан — темные, часто черные породы со стеклянным блеском и характерным раковистым изломом, почти не содержащие воды; перлиты — вулканические стекла с 3 — 4% воды; пехштейны — черные породы со смоляным блеском, содержащие до 10% воды.

Начиная с 1955 г. в Советском Союзе стали использовать некоторые вулканические стекла, применяемые после термической обработки в виде «вспученного перлита», обладающего рядом ценных свойств — малой объемной массой, большой пористостью, малыми звуко- и теплопроводностью и т. д.

Андезиты — излившиеся аналоги диоритов — порода серого или желтовато-серого цвета, порфировой структуры, с плотной основной массой. Андезиты содержат плагиоклазы, роговую обманку, некоторые пироксены и биотит. Структура может быть неполнокристаллическая или стекловатая, текстура — массивная или пористая. Физико-механические свойства сходны со свойствами базальтов. Плотность андезитов — 2,7 — 3,1 г/см3, предел прочности при сжатии — 140 — 250 МПа. Андезиты, содержащие в своем составе большое количество роговой обманки или пироксенов, отличаются более высокими техническими качествами, чем биотитсодержащие разности. Андезиты применяют в качестве кислотостойкого материала — облицовочных изделий, в виде щебня для кислотоупорного бетона.

Базальты — излившиеся аналоги габбро — породы черного цвета, очень плотные, скрытокристаллические или тонкозернистые, иногда порфировые. Плотность базальтов — 2,7 — 3,3 г/см3; предел прочности при сжатии колеблется в широких пределах — 110 — 500 МПа, в среднем — 200 — 250 МПа. Базальты ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Применяют главным образом в качестве бутового камня и щебня для бетонов. При наличии благоприятной отдельности (пластовой, призматической) применяют в дорожном строительстве (для мощения улиц); особо плотные породы используют в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным материалом для литых каменных изделий.

Диабазы — порода мелкозернистая, по составу аналогичная габбро, но с типичной диабазовой микроструктурой (структура полнокристаллическая представлена кристаллами плагиоклаза, между которыми располагаются зерна цветных минералов). Диабазы имеют черный цвет, выветренные — зеленовато-серый. Диабазы отличаются высокой твердостью, прочностью (300 — 400 МПа на сжатие) и вязкостью, что связано с большим содержанием в их составе железомагнезиальных силикатов и свойственной этим породам структурой. Диабазы мало изнашиваются и в виде брусчатки применяются для мощения дорог и улиц.

К пористым эффузивным породам относят пемзу, вулканические туфы и пеплы, туфолавы.

Пемза представляет собой пористое вулканическое стекло, образовавшееся в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав. Цвет пемзы белый или серый. Пористость ее достигает 60%; стенки между порами сложены стеклом. Твердость пемзы около 6, плотность 2 — 2,5 г/см³, объемная масса 0,3 — 0,9 г/см³ (пемза плавает в воде). Большая пористость пемзы обусловливает хорошие теплоизоляционные свойства, а замкнутость большинства пор — достаточную морозостойкость. Пемза служит заполнителем в легких бетонах (пемзобетоне). Наличие в пемзе активного кремнезема позволяет использовать ее в виде гидравлической добавки к цементам и извести. В качестве абразивного материала пемзу применяют для шлифовки металлов и дерева, полировки каменных изделий.

Месторождения пемзы относятся к вулканическим и встречаются в областях распространения действующих и потухших вулканов.

Вулканический пепел — наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при вулканических взрывах. Размеры частичек пепла колеблются от 0,1 до 2 мм. Вулканический пепел является активной минеральной добавкой.

Вулканические туфы — горные породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений: пепла, пемзы и других, впоследствии уплотненных и сцементированных. Цементом туфов является вулканический пепел, глинистое или кремнистое вещество, иногда с примесью продуктов разложения пепла.

Туфолава — горная порода, занимающая промежуточное положение между лавой и туфом. Образование туфолав связывают с быстрым вспениванием лав при резком падении давления и связанным с этим дроблением вкрапленников и стекла без разрыва сплошности лавового потока. В состав вулканических туфов и туфолав входят Si02, Аl2O3, Fe2O3 и др.

Вулканические туфы и туфолавы хорошо сопротивляются выветриванию, мало теплопроводны и, несмотря на большую пористость, морозостойки. Они легко обрабатываются, распиливаются, пробиваются гвоздями, шлифуются, но не полируются.

Типичным представителем туфолав является артикский туф, добываемый в Армении (вблизи г. Ленинакана). При плотности около 2,6 г/м³ объемная масса породы колеблется в пределах от 750 до 1400 кг/м³. Соответственно пористость ее составляет 70 — 46%. Теплопроводность артикского туфа меньше, чем обыкновенного кирпича, что позволяет уменьшать толщину наружных стен зданий.

Прочность туфов находится в тех же примерно пределах, что и у обыкновенного кирпича, т. е. от 5 до 15 (иногда до 30) МПа.

Туф и туфолавы используют в виде пиленого камня для кладки стен жилых зданий, устройства перегородок и огнестойких перекрытий. Используются они также в качестве декоративного камня, чему благоприятствует наличие туфов разных цветов — лиловых, желтых, красных, черных и др. Применяются туфы и в виде щебня для легких бетонов.