Особенности строения и свойств кристаллических и аморфных минералов
Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, происходящих в Земле. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть — в аморфном. Свойства кристаллических веществ обусловливаются как их составом, так и внутренним строением, т.е. кристаллической структурой. В кристаллических решетках расстояния между элементарными частицами и характер связей между ними в разных направлениях неодинаковы, что обусловливает и различие свойств. Такое явление называется анизотропией или неравносвойственностью кристаллического вещества. Анизотропия кристаллических веществ проявляется во многих их особенностях. Например, в способности кристаллического вещества самоограняться, т.е. образовывать многогранники — кристаллы, форма кристаллов разнообразна и зависит, прежде всего, от внутреннего строения данного соединения.
Проявление анизотропии можно рассмотреть на примере минерала графита, внутренняя структура которого приведена на Расстояние между атомами углерода в пределах плоских слоев решетки составляет 0,14 нм (1,42 А), между слоями оно больше-0,33 нм (3,39 А).
Это объясняет способность графита легко расщепляться на тонкие листочки, параллельные слоям решетки, и с трудом ломаться по неровным поверхностям в других направлениях, где расстояния между частицами и силы сцепления между ними больше.
В аморфных веществах закономерность в расположении частиц отсутствует. Свойства их зависят только от состава и во всех направлениях статистически одинаковы, т.е. аморфные вещества изотропны или равносвойственны. Прежде всего, это выражается в том, что аморфные вещества не образуют кристаллов и не обладают спайностью.
В различных физико-химических условиях вещества одинакового химического состава могут приобретать разное внутреннее строение, а следовательно, и разные физические свойства и создавать таким образом разные минералы. Это явление называется полиморфизмом (греч. «поли» — много).
В качестве яркого примера полиморфизма можно назвать две модификации углерода (С): упомянутый минерал графит и минерал алмаз. Внутренняя структура алмаза резко отличается от строения графита. В структуре алмаза сцепления между атомами углерода однотипны и прочны. Отсюда вытекают и свойства алмаза (С), резко отличные от свойств графита (С): низкие твердость-1 и плотность-2,1-2,3 графита и высокие-алмаза, соответственно 10 и 3,5 и др.
Реакторный графит: разработка, производство и свойства
... Практически все вновь создаваемые марки графитов конструкционного назначения, изготовленные на основе изотропного ... 2500 °С, такие графиты имеют хорошую кристалличность — параметр кристаллической решетки С находится в ... и технологии получения на свойства графита Опытные партии графитов МИГ-1 и МИГ- ... связующих веществ пеков, получаемых, как правило, из каменноугольных смол. Наполнителями для графитов ...
Важным свойством кристаллических веществ, обусловленным внутренним строением, является также его однородность, выражающаяся в том, что любые части кристаллического вещества в одинаковых направлениях обладают одинаковыми свойствами, т.е. если кристалл графита в одном направлении имеет весьма совершенную спайность, то и любой его обломок в том же направлении обладает этим свойством.
Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования. Это либо отдельные кристаллы или их закономерные сростки (двойники), либо четко обособленные минеральные скопления, либо, чаще, скопления минеральных зерен — минеральные агрегаты.
Отдельные изолированные кристаллы и кристаллические двойники, т.е. закономерные сростки кристаллов, возникают в благоприятных для роста условиях. Форма кристаллов разнообразна и отражает как состав и внутреннюю структуру минерала, так и условия образования. Двойниками называются закономерные сростки кристаллов. Законы двойникования разнообразны, что приводит к формированию морфологически различных двойников.
Среди обособленных минеральных скоплений наиболее часто встречают друзы, представляющие скопления кристаллов, приросших к стенкам пещер или трещин. Секреции — результат постепенного заполнения ограниченных пустот минеральным веществом, отлагающимся на их стенках. Они имеют обычно концентрическое строение, отражающее стадийность формирования. Мелкие секреции называются миндалинами, крупные — жеодами. Конкреции — более или менее округлые образования, возникшие путем осаждения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. С этим часто связано концентрическое или радиально-лучистое строение конкреций. Мелкие округлые образования обычно концентрического строения называются оолитами. Их возникновение связано с выпадением минерального вещества в подвижной водной среде. Натечные образования, осложняющие поверхности пустот, возникают при кристаллизации минерального вещества из просачивающихся подземных вод. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, растущие вверх со дна пещер — сталагмитами. На поверхности трещин могут развиваться плоские минеральные пленки, имеющие разное строение.
Наиболее широко развиты минеральные агрегаты кристаллического, аморфного или скрытокристаллического строения, слагающие толщи пород. Они образуются при более или менее одновременном выпадении из растворов или расплавов множества минеральных частиц. В кристаллических агрегатах минералы находятся в кристаллическом состоянии, но зерна их имеют неправильную форму. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и изменяется от крупных до землистых. В жилах кристаллические агрегаты часто имеют массивное (сливное) строение, при котором отдельные зерна на глаз не различимы. Аморфные агрегаты представляют собой однородные плотные или землистые массы, обладающие матовым, восковым или слабожирным блеском. Скрытокристаллические агрегаты внешне напоминают аморфные и отличаются от них только микроскопически.
Они представляют собой коллоидные системы, состоящие из тонкодисперсных кристаллических частиц и заключающей их среды.
Физические свойства минералов
... минерала. Минералы, представленные отдельными хорошо ограненными кристаллами, редки. Гораздо чаще они встречаются в виде неправильных зерен или кристаллических агрегатов. Нередко минерал характеризуется определенным типом агрегата, ... железная руда) и других подобных образованиях. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая ...
Встречаются минеральные образования, состав которых не соответствует форме, которую они слагают,- это так называемые псевдоморфозы (греч. «псевдо» — ложный).
Они возникают при химических изменениях ранее существующих минералов или заполнении пустот, образовавшихся при выщелачивании каких-либо минеральных или органических включений. К первым относятся, например, часто встречающиеся псевдоморфозы лимонита по пириту, когда кубические кристаллы пирита (FeS2) превращаются в скрытокристаллический лимонит, ко вторым — псевдоморфозы опала по древесине и др.
Физические свойства минералов. Постоянство химического состава и внутренней структуры минералов обусловливает их свойства. На этом основаны различные методы минералогических исследований и определений минералов. Большинство из них требует специального оборудования и возможно только в стационарных условиях. Однако каждый исследователь, имеющий дело с минералами и горными породами, должен владеть методом их полевого определения, основанного на изучении внешних, видимых невооруженным глазом (макроскопически) свойств.
Морфология кристаллов минералов может явиться важным диагностическим признаком, хотя следует отметить, что в природе один и тот же минерал в разных условиях образует кристаллы различной формы, а разные минералы могут давать одинаковые кристаллы. Отметим лишь некоторые данные кристаллографии, используемые ниже при характеристике минералов. Все разнообразие форм кристаллов минералов удается разделить на шесть крупных подразделений, называемых сингониями. Не останавливаясь на специальных вопросах, рассматриваемых в курсах кристаллографии, отметим только, что сингонии отражают степень симметричности кристаллов. Выделяют сингонии: кубическую, объединяющую наиболее симметричные кристаллы, которые имеют несколько осей симметрии высшего порядка; гексагональную (с тригональной подсингонией), кристаллы которой имеют одну ось шестого или третьего порядка; тетрагональную — кристаллы имеют одну ось четвертого порядка. Наименее симметричные кристаллы принадлежат к ромбической, моноклинальной или триклинной сингониям, в кристаллах которых отсутствуют оси симметрии высшего порядка.
2. Вулканы, их деятельность и вулканические процессы
минерал горный порода
Вулканами называются конусообразные или куполовидные возвышения над каналами, трубками взрыва и трещинами в земной коре, по которым извергаются из недр газообразные продукты, лава, пепел, обломки горных пород. Процесс извержения, или эруптивный (от лат. eruptivus — выброшенный, изверженный) может протекать спокойно (вулканы гавайского типа), но чаще он сопровождается мощными взрывами освобождающихся из магмы газов с одновременным выбросом в атмосферу попутно захваченных распыленных частиц лавы и раздробленных взрывом обломков минералов н горных пород, преграждавших путь магме и газам, а также захваченных со стенок канала, по которому двигались магма и газы.’ Естественно, что вокруг выхода канала на поверхность накапливаются нагромождения излившейся и застывшей лавы и обломочного материала, образующие возвышенности в рельефе в виде куполовидных и конусообразных вулканических гор внушительной высоты.
Выпускной квалификационной работы:Обзор проектов по разработке ...
... методы разработкиБаженовской свиты и затрагиваются другие вопросы и проблемы разработки сланцевых месторождений нефти. 1 Геологическое описание Баженовской свиты 1.1 Общие сведения Баженовская свита ... физическим параметрам баженовская свита резко отличается от выше-и нижележащих пород. Кероген-глинистосилицитовые породы в своем типичном выражении характеризуются значениями КС от 5 до ...
Образование вулканов лишь в редких случаях происходит в результате единичного эруптивного акта спокойного излияния лавы или взрыва. Чаще вулканы формируются в результате многократных периодических или спорадических извержений. Проявления вулканизма представляют собой один из наиболее характерных и важных геологических процессов, имеющих огромное значение в истории развития и формирования земной коры. Ни одна область на Земле — будь то континент или океаническая впадина, складчатая область или платформа — не формировалась без участия вулканизма. Так, в СССР количество эффузивных (т. е. выброшенных вулканами) пород составляет 48,6% от общей массы выходящих на поверхность изверженных пород, даже без учета огромной (1,5 млн. км2) области распространения сибирских траппов (по данным А. Н. Заварицкого).
В Северной Америке эффузивными породами представлено свыше 57% известных магматических образований (Р. Дэли и др.).
Излияния траппов в Индии занимают площадь 650 тыс. км2. Вулканические извержения огромных размеров создали обширные лавовые поля в Южной Америке. Австралии, Южной Африке и Антарктике. При этом вулканическая деятельность на Земле происходила в течение всей истории ее развития, хотя и с различной интенсивностью в отдельные геологические периоды.
Выше указывалось, что скопления магмы сосредоточены в основных магматических резервуарах на глубинах от 40 до 150 км. Из этих резервуаров магма поступает в небольшие вторичные вулканические очаги, расположенные на сравнительно небольших глубинах и непосредственно питающие извержения. Движение магмы из недр к поверхности, по-видимому, вызывается следующими двумя факторами:
1) гидростатическим давлением, вполне, как показывают расчеты, достаточным, чтобы выжать магму на поверхность; однако гидростатическим давлением нельзя объяснить прерывистость вулканизма и часто имеющую место одновременность извержения из одного очага на разных гипсометрических уровнях;
2) увеличением объема системы расплав — газ в зависимости от снижения температуры и давления при движении магмы к поверхности Земли. Расчеты Л. К. Грейтона показывают, что при содержании в магме 9,4% газа (имеются в виду водяные пары) ее относительный объем при перемещении с глубины 40 км к поверхности Земли должен увеличиться в 1155 раз, причем заметное увеличение объема должно начаться лишь на глубине 5 км от поверхности. Поэтому полагают, что магматический расплав поднимается под влиянием гидростатического давления, а затем гораздо более существенную роль начинает играть адиабатическое расширение системы, сопровождающееся выделением газа с резким возрастанием давления.
Вулканическое извержение состоит из последовательно развивающихся фаз с характерными для каждой из них формами проявления. Как правило, извержения начинаются с подземного гула, сотрясения почвы в окрестностях и серии мелких взрывов, сопровождающихся выбросами газов и паров с примесью распыленных частиц лавы. В эту начальную фазу извержения над вулканом из выброшенных продуктов возникают клубящиеся тучи с грозовыми разрядами и ливнями. Эффектность особенно усиливается ночью от прорезающих тучи подобно метеорам раскаленных добела светящихся кусков лавы и крупных обломков горных пород, выбрасываемых вулканом со скоростью пушечных снарядов.
Осадочные вулканические месторождения. Пример описания представительного ...
... месторождения Зауралья и медные месторождения Урала (Гайское, Дегтярское и др.). Полагают, что некоторые месторождения бокситов, фосфоритов и урана также являются вулканогенно-осадочными месторождениями. Они залегают в толщах пород, состоящих из остывших лав, пеплов и слоёв кремнистых пород, ...
Серия мелких взрывов сменяется второй фазой взрывов нарастающей силы и заканчивается пароксизмом максимальной силы, после которого наступает третья фаза, характеризующаяся излияниями лавы. Последняя или изливается спокойно, или же выбрасывается исполинскими огненными фонтанами иногда до 300 м высотой и до 30 м в диаметре. На воздухе лава начинает быстро остывать с образованием на ее поверхности твердой корки. Остающиеся еще в лаве газы и пары скопляются в отдельных участках, взламывают корку, дробят ее и обломки нагромождают в виде небольших конусов, которые дымятся еще годами после излияния лавы, образуя паразитные вулканы-карлики, называемые горнитосами (от исп. bornito — горы).
Излияниями лавы заканчивается извержение и наступает период спокойной, фумарольной деятельности, когда вулкан слабо курится или совсем затухает до нового извержения. Периоды спокойного состояния вулканов между извержениями часто отличаются равномерностью и измеряются годами, десятилетиями, реже сотнями, а в исключительных случаях и тысячами лет. Примером равномерной периодичности извержений являются камчатские вулканы (Ключевская, Авачинская Сопки и др.) с промежутками покоя между извержениями 7—11 лет.
Вулканы проявляют активность лишь до тех пор, пока в питающих их магматических очагах имеется достаточное количество вулканической энергии; с ее уменьшением интенсивность извержений вулкана постепенно снижается и вулкан начинает затухать. Когда же полностью иссякнет энергия магматического очага, вулкан заканчивает активную жизнь, прекращает всякую деятельность и потухает. В этом отношении среди вулканов обычно различают:
- а) древние, полностью уничтоженные эрозией и другими геологическими процессами;
- от них остались лишь следы в виде эффузивных пород и туфов в геологических напластованиях земной коры;
- б) современные потухшие, которые еще в недавнем геологическом прошлом проявляли свою деятельность, но в настоящее время находятся в покое, подвергаясь лишь разрушительному воздействию агентов эрозии;
- однако следует отметить, что потухшими они считаются только потому, что их извержений не наблюдалось в историческое время и нет достоверных оснований категорически утверждать, что деятельность этих вулканов прекратилась навсегда;
- в) современные затухающие, в деятельности которых закончилась эруптивная стадия извержений с излиянием лавы и выбросом пирокластических продуктов, лишь время от времени из них выделяются пары воды и газы, свидетельствуя о заключительной, так называемой сольфатарной стадии жизни вулкана;
— г) современные действующие вулканы, характеризующиеся интенсивными циклами энергичной эруптивной деятельности и представляющие собой, в отличие от своих древних и потухших собратьев, объекты для научно-исследовательских вулканологических наблюдений, наиболее благоприятные, хотя далеко не безопасные.
3. Относительный возраст горных пород и методы его определения
Определение относительного возраста пород- это установление, какие породы образовались раньше, а какие — позже.
Относительный возраст осадочных г.п. устанавливается с помощью геолого-стратиграфических (стратиграфического, литологического, тектонического, геофизических) и биостратиграфических методов.
Определение и обработка данных лабораторных испытаний глинистых ...
... материалов, опубликованной литературы и действующих нормативно-методических документов в области лабораторных испытаний. тектоника глинистый грунт набухание 1. Краткая характеристика района изыскания 1.1 Изученность Территория района ... так и тропических масс воздуха. Немаловажное влияние на климат оказывает также горный рельеф Большого Кавказа и наличие двух больших водоемов: Черного и Азовского ...
Стратиграфический метод основан на том, что возраст слоя при нормальном залегании определяется — нижележащие их слои являются более древними, а вышележащие более молодыми. Этот метод может быть использован и при складчатом залегании слоев. Не может быть использован при опрокинутых складках.
Литологический метод основан на изучении и сравнении состава пород в разных обнажениях (естественных- в склонах рек, озер, морей, искусственных — карьерах, котлованах и т.д.).
На ограниченной по площади территории, отложения одинакового вещественного состава (т.е. состоят из одинаковых минералов и горных пород) , могут быть одновозрастными. При сопоставлении разрезов различных обнажений используют маркирующие горизонты, которые отчетливо выделяются среди других пород и стратиграфиески выдержаны на большой площади.
Тектонический метод основан на том, что мощные процессы деформации г.п. проявляются (как правило) одновременно на больших территориях, поэтому одновозрастные толщи имеют примерно одинаковую степень дислоцированности (смещения).
В истории Земли осадконакопления периодически сменялись складчатостью и горообразованием.
Возникшие горные области разрушались, а на выровненную территорию вновь наступало море, на дне которого уже несогласно накапливались толщи новых осадочных г.п. в этом случае различные несогласия служат границами, подразделяющими разрезы на отдельные толщи.
Геофизические методы основаны на использовании физических характеристик отложений (удельного сопротивления, природной радиоактивности, остаточной намагниченности г.п. и т.д.) при их расчленении на слои и сопоставлении.
Расчленение пород в буровых скважинах на основании измерений удельного сопротивления г.п. и пористости называется электрокаротаж, на основании измерений их радиоактивности — гамма-каротаж.
Изучение остаточной намагниченности г.п. называют палеомагнитным методом; он основан на том, что магнитные минералы, выпадая в осадок, распластаются в соответствии с магнитным полем Земли той эпохи которая, как известно, постоянно менялась в течении геологического времени. Эта ориентировка сохраняется постоянно, если порода не подвергается нагреванию выше 500°С (т.н. точка Кюри) или интенсивной деформации и перекристаллизации. Следовательно, в различных слоях направление магнитного поля будет различным. Палеомагнитизм позволяет т.о. сопоставлять отложения значительно удаленные друг от друга (западное побережье Африки и восточное побережье Латинской Америки).
Биостратиграфические или палеонтологические методы основаны на изучении остатков органических форм, заключенных в осадочных горных породах в виде окаменелостей и отпечатков, т.е. палеонтологических остатков, содержащихся в г.п.
В основе этих способов лежит основное положение эволюционной теории о последовательной смене во времени неповторяющихся комплексов флоры и фауны. Органическая жизнь в ходе геологической истории развивалось постепенно — от простейших примитивных форм, остатки которых обычно заключены в наиболее древних породах, слагающих земную кару, до высокоорганизованных организмов, соответствующих по времени новейшим отложениям. Для каждого отрезка геологической истории характерен свой комплекс флоры и фауны. Однако, далеко не все организмы имеют одинаковое значение в установлении возраста горных пород.
Расчет электроснабжения подземных горных работ
Исходные данные для расчёта электроснабжения подземных горных работ Поверхностные электроприёмники: Людская подъёмная установка Ру=680 кВт; Грузолюдской подъем ... главная вентиляция, калориферная, котельная, диспетчерская, наружное освещение, главный водоотлив, участковый водоотлив, подземное освещение. Суточный расход активной энергии Среднесуточная активная мощность Потребляемая активная мощность ...
Микропалеонтологический метод, основанный на изучении микроорганизмов, в первую очередь простейших, и спорово-пыльцевой анализ, объектом изучения которого являются микроскопические растительные остатки: наружные оболочки споровых растений и зерна цветочной пыльцы семенных растений. Эти растительные образования построены из чрезвычайного стойкого вещества, поэтому они хорошо сохраняются в ископаемом состоянии. Следует отметить, что и палеонтологические методы являются универсальными. При определении возраста часто возникает необходимость применения комплекса методов, однако даже в этих случаях в геологических образованиях земной коры существуют толщи, возраст которых не установлен или установлен приблизительно.
Определение относительного возраста магм. И метам. Г.п. (все выше охарактер. Методы — для определения возраста осадочных пород) осложнено отсутствием палеонтологических остатков. Возраст эффузивных пород, залегающих совместно с осадочными устанавливается по соотношению к осадочным породам.
Относительный возраст интрузивных пород определяется по соотношению магматических пород и вмещающих осадочных пород, возраст которых установлен.
Определение относительного возраста метармофических пород аналогично определению относительного возраста магматических пород.
Минералого-петрографический метод основан на определении относительного возраста путем сопоставления и увязывания отдельных слоев г.п. по характерным особенностям их состава и строения. Этот метод параллелизации слоев применим только в близко расположенных точках, он не надежен в удаленных друг от друга геологических разрезах. Установлено, что часто горные породы одинакового возраста имеют совершенно различный состав и , наоборот, одновозрастные слои могут различаться по минералого-петрографическому составу, что указывает на различие условий их формирования.
Возраст осадочных горных пород
В XVIII в. еще никто не задумывался над «возрастом» горных пород. Считалось, что в каждой местности можно определить, какие слои старше, по тому, как они залегают относительно друг друга: чем глубже слой, тем он древнее.
Но как сравнить возраст пластов разных местностей, никто не знал. Эту трудную задачу разрешил английский землемер Вильям Смит (1769—1839).
В течение 20 лет он проводил каналы в различных частях Англии. Во время работы Смит много раз находил окаменелые раковины в пластах песчаника, сланцев и глин. Внимательно изучая находки, он отметил, что в удаленных одна от другой местностях встречаются пласты с одинаковыми окаменелостями, а в одной и той же местности на различной глубине — раковины, принадлежавшие различным моллюскам. После долгого изучения этих находок он пришел к выводу, что относительный возраст слоев можно определять по заключающимся в них окаменелостям: если в двух пластах из разных местностей встречаются одинаковые, так называемые «руководящие», окаменелости, значит, пласты отложились в одно и то же время. Вот как писал об этом Смит:
Защита фундамента от грунтовых вод
... распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Следует отметить, что водоупорами принято называть непроницаемые породы, а водоносным горизонтом - водопроницаемые. Грунтовые воды характеризуются рядом признаков: 1. Грунтовые воды имеют свободную ...
- «Все пласты последовательно осаждались на дне моря, и каждый из них содержит в себе остатки организмов, которые жили во время его образования;
- в каждом пласте наблюдаются свои собственные окаменелости, и по ним-то в известных случаях можно установить одновременность образования горных пород различных местностей».
Так землемер Смит своими долголетними наблюдениями дал новое направление геологической науке.
Открытие Смита воодушевило геологов, которые принялись за изучение морских и пресноводных отложений, слагающих земную кору. Относительный возраст горных пород определяли по встречающимся в них окаменелым раковинам моллюсков и другим остаткам древних животных. Геологи уже могли по найденным в пластах раковинам и костям разделить всю толщу осадочных отложений, относя их к разным периодам жизни Земли.
Сначала ученые выделили в земной коре группы слоев — системы (начиная сверху, т. е. с самых молодых отложений): четвертичную, третичную, меловую, юрскую и триасовую (названия у них тогда были другие).
Глубже этих отложений залегает толща горных пород, с которыми связаны во многих странах пласты каменного угля. Ее назвали каменноугольной системой.
Но более древние отложения еще не были подразделены. Эту задачу решили геологи Родерик Импи Мурчисон (1792—1871) и Адам Седжвик (1785—1873).
Они выделили в отложениях, лежащих глубже каменноугольной системы, три группы слоев (начиная сверху): девонскую, силурийскую и кембрийскую.
Затем было введено понятие о геологическом времени. Промежуток времени, в течение которого отложились слои той или иной системы, был назван периодом.
Стало возможным устанавливать закономерную последовательность отложений горных пород как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Возникла стратиграфия, или учение о порядке залегания пластов. Когда научились определять природные условия, в которых отлагались слои осадочных пород, то появилась новая наука — историческая геология. Ее задача — восстановить историю изменений, которые претерпела земная кора той или иной части поверхности Земли. Так, геологи доказали, что современная суша в далеком прошлом не раз покрывалась морями.
Периодизация истории Земли. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
На основании изменений в развитии органического мира вся история Земли подразделяется на несколько геохронологических этапов (эра период и т.п.), которым соответствуют определенные комплексы отложений (группы, системы и т.п.).
В течение этих этапов в различных районах Земли происходили процессы накопления осадков или разрушение ранее образовавшихся отложений. Поэтому полный разрез, включающий все известные системы в каком либо месте не известен ни в одной точке Земли. Общие стратиграфическая и геохронологическая шкала основаны на изучении реально существующих геологических разрезов в различных районах суши Земли лежат особенности состава пород.
4. Основные методы определения в лабораторных условиях физико-механических свойств горных пород
Основные физико-механические свойства горных пород
Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давлении, удара.).
Артезианские воды
... подземных вод грунтовые воды будут питать артезианские. В последнем случае на отдельных участках вследствие невысокого санитарного состояния грунтовых вод может быть снижено качество артезианских вод. Вода, поступающая в пористые проницаемые слои, перекрытые водонепроницаемыми породами, ... колодцев достигала 130.м. Во Франции же впервые бурение скважин было осуществлено в провинции Артуа только в 1126 ...
Для решения задач проектирования зданий и сооружений все физико-механические характеристики грунтовых оснований разделяют на две группы:
1) показатели физико-механических свойств, которые используют непосредственно в расчетах оснований;
2) вспомогательные показатели, с помощью которых осуществляют классификацию грунтов, прогнозируются механические характеристики первой группы, выделяют инженерно-геологические элементы в толще грунтов
Характеристики физико-механических свойств используемых в расчетах оснований
Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности).
Эта характеристика называется пределом прочности Rc измеряется в МПа, или временным сопротивлением сжатию.
На прочность грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде. Для нескальных грунтов другой важной характеристикой прочности является сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление сдвигу оценивается силами внутреннего сдвига ц измеряется в градусах, сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым — сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих частиц.
Для практических расчетов по деформациям и несущей способности грунтов применяются показатели удельного сопротивление C, кПа, ц, град. Сдвиговые характеристики определяют полевыми работами (срез целиком грунта, вращательный срез, зондирование) и лабораторными исследованиями в приборе плоского среза (стабилометре)
Деформационные свойства характеризуют поведение грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящие к разрушению. Деформируемость грунтов зависит как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности деформироваться слагающих их минералов.
Для проведения расчетов по деформациям грунтов используют модуль общей деформации E, измеряется в МПа. Для его определения проводят штамповые и прессиометрические полевые работы, а так лабораторные исследования компрессионные и стабилометрические испытания грунтов.
При определении ориентировочных размеров подошвы слоя по таблицам СНиП 2.02.01-83 находят значение расчетного сопротивления грунтов R0 (кПа)
Для расчета стабилизации осадок зданий и сооружений определяющим показателем будет коэффициент фильтрации kф. Определяется в лабораториях, по таблицам, по опытным откачкам воды для водонасыщенных и наливы для сухих грунтов.
В расчетах по деформациям и по несущей способности грунтов используется плотность грунта p (отношение массы образца к его объему).
5. Расчет плоского потока подземных вод при напорном и безнапорном залегании водоносного горизонта
Образование и классификация подземных вод
Вода, испаряется с поверхности и снова выпадает в виде осадков на землю и в море.
Часть воды: -стекает -испаряется -просачивается в почвы и ГП
Подземные воды движутся в порах, полостях и трещинах ГП.
Подземные воды образуются
- путем инфильтрации дождевых, талых вод в поры и трещины горных пород.
- конденсируется из воздуха, и частично стекает в землю, почву и нижние слои.
- виде туманов, инея, изморози
- отжимается из морских, лагун, лиманных и озерных илов,
- поступает в породы из магмы и лавы.
В горных породах вода присутствует в разных состояниях:
1) пары воды; движутся от большего парциального давления к меньшему
2) конституционная вода — в составе минералов пород например в гипсе, лимоните, опале и других минералах. Удаляется при 105оС.
З) связанная — пленочная — вокруг минералов слоем от нескольких до десятков молекул. Движется от толстых пленок к тонким под действием электрических сил;
4) капиллярная вода. движется под действием сил поверхностного натяжения.
5) свободная капельно-жидкая вода, передвигается под действием силы тяжести (гравитационная вода),
6)Лед.
Формирование состава подземных вод
Зональность: вертикальная и географическая
Подземные растворяют минералы и продукты их разрушения.
Подземные воды разделяют по минерализации и составу:
- пресные <1 г/л, слабо солоноватые 1-3 г/л, солноватые 3-10 г/л, соленые >10 г/л, рассолы >
- 50 г/л
Состав поземных вод описывают содержанием ионов K, Са, Na, SO4, Cl.
Грунтовые воды (первый от поверхности в/горизонт, залегающий на постоянном водоупоре) закономерно меняют минерализацию, условия залегания, питания, режим, и химический состав.
Их состав изменяется в меридиональном и широтном направлениях в зависимости от климата, ландшафта, характера выветривания…
Географическая зональность с севера на юг:
- в тундре П/В залегают у поверхности, (< 0,2 г/л).
Состав HCOз—SiOз.
- в средней полосе М= 0,2-0,5г/л,
Состав HCOз—Ca+, реже- SO4- и Cl-.
- южные лесостепи М >1 г/л
Состав воды Cl- SO4, за счет роста S6+ и Сl-.
- в Причерноморье, Крыму, Средней Азии М=3-8 г/л и залегают на больших глубинах.
Состав SO4—Cl.
Состав и обилие подземных вод (ПВ) зависит от климата<>пересеченности рельефа<>типа вмещающих пород.
Он имеет еще и вертикальную зональность в горах:
- верхняя зона пресных вод <1 г/л НСОз-Са+
- средняя зона солоноватых вод 1-10 г/л преобл SO4 и Cl-
- нижняя зона соленых вод >10 г/л преобл Сl-Na+
формирование и распространение ПВ
==Область питания п/в — территория, на которой поверхностные воды просачиваются в землю.
==Область распространения п/в — площадь, в пределах которой они залегают.
==областью разгрузки п/в (дренажа или дренирования) — местность, где подземные воды выходят на поверхность земли.
==Зона аэрации — поверхностные слои пород, не содержащие свободных капиллярных и гравитационных вод.
Водоносный пласт — пласт горной породы, содержащий свободную (гравитационную) воду. Он обладает однородным литологическим составом и постоянной водопроницаемостью.
Водоупор — водонепроницаемый пласт горной породы.
Водоупорная кровля, ложе — относительно В-непроницаемый пласт, покрывающий (подстилающий) водовме-щающие породы.
- Водоносные пласты могут объединяться в водоносные горизонты.
Водоносный горизонт -близкие по составу и фильтрационным свойствам пласты водонасыщенных ГП.
Подземные воды классифицируют по следующим признакам:
- условиям залегания грунтовые <>
- верховодка <>
- мжпластовые
по напорному режиму- напорные <> безнапорные
по режиму движения — поток <> бассейн
по форме потока — плоский <> радиальный
Верховые воды (почвенные) — подземные воды, залегающие спорадически в виде линз на местных водоупорах или находящиеся в подвешенном состоянии в зоне аэрации. Они постепенно опускаются вниз и пополняют собственно грунтовые воды, частично испаряются в атмосферу, или перемерзают.
Грунтовыми водами называют подземные воды со свободной поверхностью, накапливающиеся на первом от поверхности земли водоупоре.
Грунтовые воды отличаются от верховодки (почвенных вод) наличием постоянного водоупора и сплошностью занимаемого объема.
Они питаются атмосферными осадками, “верховодкой” и др. источников.
Площади питания и распространения грунтовых вод, как правило, совпадают.
- Грунтовые воды в отличие от верховодки существуют длительное время.
Свободную поверхность грунтовых вод называют депрессионной поверхностью или «зеркалом грунтовых вод».
Над депрессионной поверхностью располагаются капиллярные воды, называемые капиллярной каймой. Средние значения hk составляют в крупных песках до 0,15м, средних 0,15—0,35м, мелких 0,35м— суглинках и лёссах 3—4м. В глинах иногда достигают 8 м.
Глубина залегания грунтовых вод — расстояние между поверхностью земли и зеркалом.
Мощность водоносного пласта — расстояние между зеркалом грунтовых вод и водоупорным ложем.
Межпластовые подземные воды залегают между двумя водоупорными пластами. Их поверхность может быть свободна, либо ограничена водонепроницаемым пластом кровли.
Напорный режим формируется только в межпластовых подземных водах, безнапорный — в грунтовых и межпластовых.
Типизация подземных вод по режиму движения
Бассейн грунтовых вод — водонасыщенные породы, грунтовая вода которых не движется и имеет горизонтальное зеркало. Располагаются в понижениях водоупорного ложа. Вода неподвижна.
При наклоне зеркала грунтовых вод образуется поток грунтовых вод;
- Грунтовые воды испытывают трение о минеральные частицы. Поэтому скорость их меньше, чем открытых наземных вод.
С ростом водопроницаемости и уклона зеркала ПВ, растет скорость потока.
Она складывается из 1)Кинетической энергии, которая =>… 0,0
2)Потенциальной энергии
В частном случае Гидростатический напор равен абсолютной отметке УГВ над уровнем моря.
В общем случае «Н» определяется суммой
1)высотного положения точки над плоскостью сравнения- z и 2)гидростатическим давлением вышележащей жидкости(hp), выраженным «метрах:
H = hp + z = p/(m*g) +z
p =m*g*h = часть потенциальной энергии жидкости, обусловленная гидростатическим давлением. Н — измеряется в метрах.
Выбор плоскости сравнения произволен: уровень моря или подошва водоносного пласта.
Режим движения подземных вод
Водоносные пласты в этом аспекте делятся на напорные и безнапорные.
Рассмотрим межпластовые подземные воды. Они заключены между 2-мя водоупорами, верхней границей водонасыщенных пластов является водоупор (например, глина)
Признак напорного водоносного пласта — свободный уровень подземных вод поднимется выше кровли пласта. В безнапорном — нет.
Основной закон движения подземных вод
Движение подземных вод происходит при наличии разности гидростатических напоров (уровней свободной поверхности подземн. вод).
Фильтрация в водонасыщенных грунтах при ламинарном режиме движения подчиняется закону Дарси:
Q = Кф х F х dH / L = Кф х F х I или V= Кф х I
Напорный( гидравлический) градиент I = dH/L, безразмерный
Cкорость фильтрации пропорциональна напорному градиенту в первой степени (при ламинарном движении).
Коэффициент фильтрации — это скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, [м/сут]
Для определения градиента напора удобна карта гидроизогипс. Гидроизогипсой называют линию равных отметок уровня подземных вод (или равных гиростатических напоров).
Форма потока грунтовых вод.
Поток может быть плоским : линии тока воды параллельны друг другу, например движение подземных вод в сторону реки, траншеи;
- радиальным: линии тока сходятся к точке или расходятся от нее, например приток воды к колодцу, скважине, котловану.
Расход плоского потока подземных вод
Пример: движение подземных вод к траншеям, штольням и др.
Расход грунтового (безнапорного) потока в однородных пластах.
Условие: водоупор горизонтальный, пласт однородный.
Расход от сечения I к сечению II определяется так:
Q = Кф* F*I = Кф*B*hср*Iср
Q= Кф*В*(H+h)/2* (H-h)/R,
где R- радиус влияния дренажной траншеи. Его вычисляют так:
R= 2S*\/(H*Kф)
Q= Кф*В*(H2-h2)/R,
где S -понижение уровня воды в дрене (скважине), Н-мощность водоносного пласта, h-мощность слоя воды в дрене
6. Плывуны и методы борьбы с ними
Плывун представляет собой песок, насыщенный водой и по этой причине обладающий свойствами жидкости.
Истинное происхождение плывуна не определено и по сей день, однако достоверно известно, что в результате внешнего воздействия возможно нарушение его герметичности, что влечет за собой негативные последствия.
Дело в том, что в состоянии покоя эта масса песка находится под давлением, а потому при мельчайших изменениях, вызванных строительными работами, возможны перепады такого давления, а, следовательно, и движение плывуна вертикально вверх под напором воды. Рассмотрим детально те последствия, которыми грозит плывун, а также постараемся определить способы преодоления этого явления.
1. Белоусов В.В. Земная кора и мантия океанов. —Наука, 2009. — 274 с.
2.Винокуров Ф.П., Тетерин А.Е., Питерман МЛ Строительные свойства торфяных грунтов. — Минск: Изд- БССР, 2009. — 281 с.
3.Войткевич Г.В. Возраст Земли и геологическое лето исчисление. — М.: Наука, 2011. — 237 с.
4.Вологдин А.Г. Происхождение и развитие жизни II земле. — М.: Знание, 2010. — 135 с.
5.Горшков Г.П., Якушева А.Ф. Общая геология. 1« М.: Изд-во МГУ, 2009. — 591 с.
6.Гуменекий Б.М. Основы физико-химии глинистых грунтов и их использование в строительстве. — М.: Стройиздат 2009. — 234 с.
7.Лебедева Н.Б. Пособие к практическим занятиям общей геологии. — М.: Изд-во МГУ, 2011. — 100 с.
8.Гольнштейн М.Н. Механические свойства грунтов. I * М.: Госстройиздат, 2009. — 176 с.
9. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. — М.: Изд-во МГУ, 2010. — 84 с.
