Метаморфические горные породы

Лабораторная работа №1.4

Происхождение метаморфических пород.На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушения горных пород). Глубже располагается зона цемента­ции. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются. Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие ки­лометры, располагается зона метаморфизма.

Магматические и осадочные горные породы в процессе свое­го существования и в результате процессов внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где темпера­тура, давление и химизм среды резко отличны от условий образования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы кроме повышенного давления и температуры сильно воздейству­ют активные химические соединения, циркулирующие в земной коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, образуя минеральные парагенезисы. При метаморфизме интен­сивно изменяются первичный состав, строение и сложение по­род. В целом под метаморфизмом горных пород понимают существенные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов и земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения. Достаточно редко, в особых условиях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.

Изменение минералов и горных пород вызывается воздействием основных факторов метаморфизма: температуры и давления с одновременным воздействием флюидов. Флюидаминазывают жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирую­щие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. В их составе, как предполагается, преобладают пары воды, хлора, углекис­лоты и многих других элементов и соединений. Воздействие флюидов наиболее эффективно в связи с их способностью про­сачиваться сквозь горные породы. В результате метаморфизма изверженные и осадочные горные породы изменяют характери­стики своего состава, меняют свою структуру и текстуру, а вслед­ствие этого свойства; степень же и особенности этих изменений зависят от интенсивности, характера и продолжительности мета­морфических процессов.

Петрографы выделяют несколько видов метаморфизма: катакластический, термальный и динамотермальный. Указанные виды метаморфизма корреспондируют с выделенными в генетической классификации горных пород группами метаморфических пород: регионального, контактового и динамометаморфизма, так как последние больше характеризуют общие условия протекания про­цесса метаморфизма, а выделенные в петрографии виды акцен­тируют внимание на метаморфических факторах: давлении, температуре или их совместном действии.

Катакластический метаморфизмпо своему существу является дислокационным, поэтому для него часто и употребляют это название. Этот тип метаморфизма приурочен к участкам развития дизъюнктивных нарушений — дислокаций — типа сбросов и развит в их границах. Метаморфизм в данных условиях совершается при сравнительно небольших давлениях и довольно низкой температуре. Происходит дробление крепких минералов или их деформации. Эти изменения протекают и в первоначальных структуре и текстуре пород, и в результате происходит хрупкое разрушение минералов и их перемещение. Трещины в породе не возникают, происходит преобразование породы в результате плас­тических деформаций. Под влиянием таких деформаций возмож­ны химические изменения пород, когда неустойчивые минералы растворяются, а устойчивые растут в определенных направлениях. Схема эта относительна и условна, так как в одних породах преобладают чисто пластические деформации, в других — это, в основном, микроразрывные деформации, в третьих — сочетание тех и других. В одних случаях возможна перекристаллизация (как в глинистых сланцах), в других она не наблюдается. Все вместе формирует самые разнообразные породы — от гранитоидов до тектонических брекчий, катаклазитов и милонитов.

При формировании термалъно-метаморфизованныхпород главным фактором является температура, источник которой — магма. Под действием температуры на границах (контакте) интрузий об­разуются ореолы, сложенные особыми контактово-метаморфизованными породами. Мощность зоны контактовых изменений бы­вает различной и главным образом зависит от двух факторов: состава и состояния вмещающих пород, температуры, состава и продолжительности воздействия магмы. Так, установлено, что в глинистых и мергелистых породах она значительно больше, чем в песчаниках или кварцитах. На контактах с ультраосновными и основными интрузиями ее мощность значительно меньше, чем на контактах с интрузиями кислых пород, например гранитов. Наиболее типичными породами термального метаморфизма являются контактовые роговики, скарны, породы кремнистого состава.

Динамотермалъный метаморфизмдает самое большое разнооб­разие пород с очень широким их распространением в земной коре. В зависимости от условий протекания процесса различают региональный и локальный динамотермальный метаморфизм. Самостоятельным видом регионального динамотермального мета­морфизма является ультраметаморфизм. В каждом из этих видов метаморфизма сложный комплекс взаимодействия температур, стресса (разрядки напряжений), давления, иногда и флюидов приводит к формированию чрезвычайно широкого спектра мета­морфических пород с весьма разнообразными физико-механиче­скими свойствами.

В глубинных зонах складчатых областей региональный мета­морфизм может сопровождаться переплавлением ряда пород (ульт­раметаморфизм) с образованием смешанных горных пород —миг­матитов. Это очень сложные по структуре породы. Для многих из них характерны слойчатость, послойные и секущие складки. Боль­шое разнообразие структур мигматитов обусловливает весьма раз­личную их прочность, неоднородность свойств, повышенную (по сравнению с другими массивно-кристаллическими породами) выветриваемость.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям за­легания занимают промежуточное положение между магматиче­скими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Типичными минералами явля­ются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Метаморфическим породам в целом присуща кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцева­тая — однообразное расположение (параллельно друг другу) пла­стинчатых минералов и полосчатая — обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварци­та характерны массивные текстуры.

Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более или менее сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадоч­ных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфиче­ских пород, окружающих магматические породы. Динамометаморфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадоч­ные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движений земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объек­том строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строитель­стве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагопри­ятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны обвалы, особенно кровли горизонтальных подземных выработок. Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические породы имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени. Например, если кварциты в городских условия начинают разрушаться через 200—400 лет, то мраморы уже через 20—130 лет.

Классификация метаморфических породоснована на структур­ных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют по роды:

• массивные (зернистые) — кварцит, мрамор;

• сланцеватые — гнейс и кристаллические сланцы различного минерального состава (рис. 28).

Рис.28. Метаморфическая горная порода сланцеватой структуры — гнейс

Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом очень близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Все метаморфические породы, равно как и магматиче­ские, не будучи измененными, имеют прочность, значительно превышающую нагрузки, обычно возникающие в строительной практике. В пределах реальных воздействий, создающихся при возведении на метаморфических породах даже очень «тяжелых» сооружений, эти породы деформируются как упругие тела. Мета­морфические породы практически водонепроницаемы и за иск­лючением карбонатно-доломитовых разностей не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация в массивах этих пород обу­словлены исключительно трещиноватостью, а также зонами, затронутыми выветриванием. Вместе с тем метаморфические поро­ды не являются полным аналогом магматических по свойствам, а имеют достаточно большие отличия, которые, в свою очередь, диктуются генезисом. Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их слоисто­стью, сланцеватостью. Проч­ность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значи­тельно ниже вдоль сланцевато­сти, чем перпендикулярно ей («вкрест» сланцеватости). Слан­цеватостью определяются и зна­чительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных скло­нах и в бортах искусственных выработок. Многие метаморфи­ческие породы образуют тонко плитчатые или листоватые весьма подвижные осыпи. Особенно широко это проявляется у слабометаморфизованных пород, напри­мер у глинистых сланцев.

К породам, которые подверглись воздействию глубокого реги­онального метаморфизма и имеют наибольшее распространение, относятся гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Несколько реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки, обычно они приурочены к областям древней декембрийской складчатости, где слагают массивы больших размеров.

Физико-механические параметры гнейсов в зависимости от особенностей их состава, структуры и текстуры меняются в зна­чительных пределах. При выветривании физико-механические свойства гнейсов изменяются особенно сильно. Наибольшей стойкостью обладают кварцевые гнейсы; полевошпатовые и биотитовые гнейсы выветриваются значительно интенсивнее, вплоть до того, что при испытании их на морозостойкость образцы мо­гут распадаться на отдельные плитки. Некоторым гнейсам прису­ща своеобразная очковая текстура, которая, по мнению ряда спе­циалистов, резко снижает их прочность.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими поро­дами являются кварциты.Обычно они слагают отдельные массивы мощностью до 100 м и более или залегают в виде прослоев различ­ной мощности в толще таких же высокометаморфизованных слан­цев. Кварциты — это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокими прочностью, сопротивлением исти­ранию, твердостью. Их сопротивление сжатию, как правило, пре­вышает 150—200 МПа. ничтожно мала, их водопоглощение и водонасыщение составляют 0,2—0,3 %. Наличие жестких кристаллизационных связей между слагающими минеральными зернами, кроме того, приводит к исключительно высокой морозо­устойчивости и слабой выветриваемое кварцитов.

Самое большое разнообразие физико-механических свойств наблюдается у кристаллическихсланцев. От массивных метамор­фических пород их отличает слоистость, сланцеватость, кливаж. Эти особенности вызывают резкую анизотропность их свойств, позволяющую раскалываться на тонкие, часто листоватые плит­ки. Сланцеватость и кливаж сланцев, особенно хлорит-серицитовых и глинистых, способствуют соскальзыванию и оползанию их как на природных склонах, так и на откосах искусственных вые­мок. В зависимости от состава и степени метаморфизованности прочностные свойства сланцев изменяются в широких пределах: от нескольких десятков МПа у кристаллических до долей МПа у глинистых разностей.

Кристаллические сланцы биотитового, мусковитового, двуслюдяного, кварцево-слюдяного, амфибол-биотитового состава имеют прочность на сжатие (в средних значениях) в направлении, перпендикулярном сланцеватости, 120—160 МПа, при водонасыщении —до 80—110 МПа, т.е. примерно на 30% ниже. Слагаемые этими породами массивы являются достаточно прочными с инженерно-геологической точки зрения, но, как правило, они сильно трещиноваты и поэтому сильноводопроницаемы. Наиболее легко выветриваются среди указанных пород слан имеющие в своем составе биотит. Почти всегда в толще сланцев формируются «карманы» выветрелых пород мощностью до нес­кольких десятков метров.

Своеобразную группу метаморфических пород образуют т; называемые «зеленые» сланцы — хлоритовые, хлорит-серицитовые, тальк-хлоритовые. Они сравнительно устойчивы к воздейст­вию химического выветривания, но легко разрушаются при перио­дическом промерзании и оттаивании. По прочности они уступают вышеописанным сланцам (R_сж у сухих образцов в среднем 45—60 МПа, а у водонасыщенных она снижается до 25—30 МПа, т. е. почти вдвое). Наименее устойчивы к выветриванию глинистые сланцы. В воздушно-сухом состоянии они обладают значительно: прочностью (20—40 МПа), но при водонасыщении довольно часто образцы просто разваливаются. Эти породы хорошо противостоят химическому выветриванию, а при воздействии таких факторов физического выветривания, как «замерзание — оттаивание», легко разрушаются, но в процессе физического выветривания на склонах глинистые сланцы образуют рыхлые, подвижные, труднопроходимые осыпи. Насыщение этих осыпей водой после сильных ливней приводит к формированию в горных районах селевых потоков.

Карбонатные метаморфические породы могут образовываться как при региональном, так и при контактовом метаморфизме, главным здесь является наличие среди факторов метаморфизма значительных температур и давлений. Наиболее характерной породой этой группы является мрамор — перекристаллизованный известняк, в котором между кристаллическими зернами имеется непосредственная связь. Как и у всех пород, структура и текстура мраморов диктуют их физические и механические свойства. В средних значениях временное сопротивление их сжатию состав­ляет около 100 МПа. Приведем некоторые примеры. Среднезернистые массивные мраморы протерозойского возраста из бассей­на р. Амур характеризуются прочностью на сжатие в среднем 115 МПа, которая после водонасыщения снижается до 80 МПа, а после испытаний на морозостойкость падает до 70 МПа. Вместе с тем мелкозернистые доломитизированные мраморы достигали прочности 200 МПа. Причем отдельные образцы превышали эти значения, в то же время крупнозернистые «сахаровидные» разно­сти мраморов имеют прочность, не превышающую 50—60 МПа. Отличительной чертой мраморов среди метаморфических пород является их, хотя и слабая, но растворимость в воде, которая со­держит углекислоту. Это определяет значительно меньшую закарстованность мраморных массивов, чем в толщах, сложенных из­вестняками и доломитами. Мрамор довольно устойчив к «обычному», без «антропогенного дополнения», выветриванию, сохраняет крутые, вплоть до «отвесных», природные склоны.

Наиболее распространенной породой, образующейся при тер­мальном контактовом метаморфизме, являются роговики.Для них характерна полная перекристаллизация исходного материала. Обычно это темные плотные породы, имеющие однородную «мо­нотонную» структуру и мелкозернистую структуру. Чаще других встречаются кварц-биотит-полевошпатового состава породы, обра­зовавшиеся по пелитовому материалу. С инженерно-геологической точки зрения роговики рассматриваются как весьма благоприят­ные основания для ответственных сооружений. Прочность их всегда значительно выше, чем у вмещающих пород, а от интрузивных пород их выгодно отличает меньшая трещиноватость и значитель­но большая однородность в массиве. Как известно, состав и строе­ние пород определяют спектр изменения их физико-механических свойств. Установлено, например, что диапазон изменения прочно­сти норильских роговиков равняется 60—150 МПа. Наиболее вы­сокими показателями физико-механических свойств обладают тонко- и мелкозернистые разности, пониженные значения отмече­ны для неравномерно-зернистых пород с пористостью до 3,5%. Все роговики устойчивы к выветриванию. Необходимо заметить, что на сложенных ими природных склонах формируются обвалы, курумы, крупнощебенистые осыпи.

Тектониты— породы, которые обычно не относят к класси­ческим метаморфическим, — являются в то же время типичными представителями катакластического метаморфизма и включают в себя брекчии трения, катаклазиты, милониты. Это раздроблен­ные, иногда перетертые породы различной степени цементации. Брекчии трениясостоят из различной величины обломков по­род, как правило, необработанных, сцементированных тонкоразд­робленной массой тех же пород. Катаклазитыотличаются от брекчий трения меньшим размером обломков. Они характеризу­ют начальные стадии изменения пород. Катаклазиты сохраняют во многом черты исходного материала, поэтому соответственно и различают катаклазиты гранитов, катаклазиты габбро и др. В целом эти породы еще сохраняют достаточно высокую прочность на раздавливание. Милониты характеризуются резко выраженной рассланцованностью, по существу, это микробрекчии (составные части милонитов распознаются только под микроскопом) грубо или тонкополосчатой текстуры.

Все тектониты в условиях естественного залегания имеют до статочно высокую плотность. Это отнюдь не рыхлая рассыпающаяся масса, легко перетирающаяся руками. Но вполне очевидно, что их прочностные и деформационные характеристик должны быть хуже, чем у первичных пород — гранитов, песчаников, алевролитов, что и подтверждается испытаниями их на прочность и сжимаемость. Благодаря сланцеватой текстуре, наличию раздробленных прослойков, хлоритизации и серитизацив первичных минералов, резко снижается сопротивление катаклазированных пород сдвигу.

Обычно катаклазированные породы слагают маломощные зоны, приуроченные к таким дизъюнктивным дислокациям, как сбросы, надвиги и т. п. Катаклазированные породы интенсивна выветриваются, относительно легко размываются, поставляя материал, формирующий осыпи и способствующий развитию других склоновых процессов.

В общем случае тектониты можно рассматривать как ослабленные зоны скальных массивов и таким образом подходить к оценке в качестве оснований сооружений. Так, глинистые тектонические брекчии являются слабыми породами и из оснований ответственных сооружений удаляются.