в каком случае метаморфизм улучшает свойства первичных грунтов
Новости наук о Земле
Нужная информация для всех
Метаморфизм. Метаморфические горные породы
1.Понятие о метаморфизме. Факторы метаморфизма.
2.Типы метаморфизма.
3.Стадийность, зоны и фации метаморфизма.
4.Метаморфические горные породы.
1.Понятие о метаморфизме. Факторы метаморфизма.
Под метаморфизмом понимают изменение и преобразование горных пород под влиянием различных эндогенных геологических процессов, вызывающих значительные изменения термодинамических условий (прежде всего температуры и давления). Все преобразования в горных породах при процессах метаморфизма происходят путем их перекристаллизации в твердом состоянии. Метаморфизму могут подвергаться горные породы любого происхождения — осадочные, магматические и ранее существовавшие метаморфические. Степень изменения первичных горных пород (степень метаморфизма) может быть самой различной — от незначительных преобразований до полного изменения состава и облика пород.
Главными причинами, или факторами метаморфизма горных пород, являются температура, давление и химически активные вещества — растворы и летучие соединения.
Температура. Процессы метаморфизма, по мнению большинства исследователей, совершаются в интервале температур от 250 — 300 до 800 С. Повышение температуры всего на 10 С вдвое увеличивает скорость химических реакций, а на 100 С примерно в 1000 раз. В условиях земной коры повышение температуры вызывается двумя основными причинами:
Повышение температуры также может вызываться поступлением глубинных флюидов, местным возрастанием внутреннего теплового потока и некоторыми другими причинами.
Давление. Различают давление петростатическое (всестороннее) и боковое (одностороннее) или стресс.
Петростатическое давление является функцией глубины, и возрастание его обычно связано с погружением горных пород в глубь литосферы. Петростатическое давление также повышает температуру плавления минералов.
Боковое давление (стресс) возникает при интенсивных тектонических движениях дислокационного характера. Оно приводит к деформации, вызывает появление закономерностей пространственной ориентировки их в горной породе. Так, например, пластинчатые минералы располагаются плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления, в результате чего формируются так называемые сланцевые текстуры горных пород.
Химически активные вещества (вода, углекислота, водород, соединения хлора, серы и др.) являются катализаторами, облегчающими реакции между кристаллами, участвуют в образовании новых минералов, входя в их структуру и производя замещение старых минеральных ассоциаций новыми.
Существенная роль принадлежит фактору времени, ибо все это очень длительные процессы, осуществляющиеся в масштабах геологического времени.
Если же метаморфические преобразования сопровождаются значительным приносом и выносом, происходит замещение одних минеральных ассоциаций другими, изменяется химический состав горных пород. Такой метаморфизм называется метасоматическим.
2.Типы метаморфизма.
По преобладающей роли в процессе тех или иных факторов, а также в зависимости от масштабов явлений метаморфизма в пространстве выделяют отдельные виды, или типы метаморфизма. Основными типами метаморфизма являются региональный, контактовый и динамометаморфизм.
Региональный метаморфизм является наиболее распространенным и важным видом метаморфизма, поскольку охватывает огромные площади или целые регионы. Он проявляется в условиях, когда отдельные участки земной коры испытывают длительное прогрессивное погружение, в результате чегогорные породы перемещаются из верхних горизонтов земной коры в более глубокие. Обычно прогибание компенсируется осадконаполнением и в качестве главных факторов регионального метаморфизма, таким образом, выступает петростатическое давление и температура, постепенное повышение которой обусловлено геотермическим градиентом; существенную роль также может играть односторонне боковое давление и химически активные вещества.
В глубинных зонах земной коры может проявляться особая стадия регионального метаморфизма, называемая ультраметаморфизмом. Расплавы, возникающие при ультраметаморфизме и имеющие обычно гранитный состав, проникают во вмещающие породы, пронизывают их, образуя своеобразные породы смешанного состава — мигматиты. Широко развиты мигматиты в пределах древних щитов — Балтийского, Украинского, Алданского.
Контактовый метаморфизм проявляется на контактах магматических расплавов, внедряющихся в земную кору, с вмещающими породами. Вблизи контакта образуется ореол метаморфических пород, который обычно захватывает как окружающее магматическое тело породы, так и краевые части самого магматического тела. Ширина зоны контактового изменения (контактового ореола) может изменяться от сантиметров до первых километров. Основными причинами изменения горных пород в зонах контактов являются температура, возрастающая благодаря тепловому воздействию магматических масс на вмещающие породы, и химически активные газовые и жидкие растворы, выделяемые магматическими расплавами.
Процесс замещения одних минералов другими, протекающий при участии газовых и жидких растворов и сопровождающийся изменением химического состава минеральных образований называется метасоматозом, а разновидность метаморфизма — контактово — метасоматическим. В зависимости от агрегатного состояния растворов различают пневматолитовый и гидротермальный контактово — метасоматический метаморфизм. Наиболее распространенным контактово — метасоматическими горными породами являются скарны и грейзены.
Динамометаморфизм (катакластический, дислокационный метаморфизм) проявляется, главным образом, в верхних частях земной коры, в зонах развития тектонических движений дислокационного характера. Часто локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений. Таким образом, основной причиной, вызывающей его, является одностороннее давление. При динамометаморфизме изменяются в основном структурно — текстурные особенности горных пород. Происходит их дробление, а в более глубоких зонах в связи с повышением температуры механическое разрушение сменяется пластическими деформациями. В породах появляется полосчатость, заключающаяся в чередовании слоев различных по форме зерен и окраске минералов, возникает кристаллизационная сланцеватость.
3.Стадийность, зоны и фации метаморфизма.
Степень изменения пород при региональном метаморфизме находится в прямой зависимости от степени изменения термодинамических условий среды, ряд ученых в качестве главного критерия изменения условий рассматривают глубину протекния процесса, поскольку именно ею, в основном, определяется давление и температура.
При региональном метаморфизме различают три стадии изменения горных пород.
Первая стадия — стадия низкой степени метаморфизма или эпиметаморфизм. Ей соответствуют слабые изменения пород, которые проходят при температуре около 500 С и давлении менее 500 М Па (5000 атм.). При этом механические процессы преобладают над химическими и в породах сохраняются водные минералы. На этой стадии глины преобразуются в глиняные сланцы, песчаники — в кварциты, известняки — в мраморы. Ей соответствует самая верхняя зона метаморфических изменений — эпизона.
Вторая стадия — стадия средней степени метаморфизма или мезометаморфизм. Ей соответствуют температура от 500 до 1000 С и давление от 500 до 1000 МПа (от 5000 до 10000 атм.). На этой стадии происходит потеря водными мине ралами химически связанной воды. В результате глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые породы — в гнейсы, основные — в амфиболиты (роговообманковые сланцы). Этой стадии соответствует зона, расположенная ниже эпизоны, которая называется мезозона.
Третья стадия — высокой степени метаморфизма или катаметаморфизм. Преобразования на этой стадии происходят при температуре более 1000 С и давлении более 1000 МПа (10000 атм.). Гидростатическое давление преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы — над химическим. В результате породы приобретают гнейсовую и массивную текстуру: слюдяной сланец преобразуется в гнейс, среднезернистый мрамор — в крупнозернистый, слюдистый кварцит — в кварцитовидный гнейс. Эти породы образуют глубинную зону, располагающуюся ниже мезозоны — катазону.
В настоящее время, говоря о зонах метаморфизма, имеют в виду всю совокупность физико — химических условий, создающихся на той или иной глубине. В соответствии с этим большинство исследователей для характеристики процессов метаморфизма и классификации метаморфических пород пользуются понятием о метаморфических фациях. Под метаморфической фацией понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий используют так называемые индекс — минералы, устойчивые в строго определенных условиях температуры и давления.
По наличию минералов — индексов выделены фации:
повышение температуры =>
фация зеленых сланцев
эпидот — амфиболитовая фация
амфиболитовая фация
пироксен — роговообманковая фация
гранулитовая фация
глаукофановая фация
эклогитовая фация
Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных минеральных ассоциаций.
4.Метаморфические горные породы.
О реликтовой структуре говорят в том случае, когда в породе сохраняется текстура исходной материнской породы. Так в метаморфизованных осадочных породах сохраняется их слоистость. В условиях одностороннего давления создаются благоприятные условия для развития минералов, вытянутых в одном или двух направлениях (призматических, игольчатых и др.), а также для их упорядоченной переориентации в горных породах.
В результате образуются следующие основные виды текстур:
В некоторых породах, особенно контактово — метаморфических наблюдаются массивные структуры. Формы залегания метаморфических пород в абсолютном большинстве случаев наследуются от пород исходных. исключения составляют формы залегания контактово — метаморфических пород, представленных контактовыми ореолами.
Классификация метаморфических горных пород.
В каком случае метаморфизм улучшает свойства первичных грунтов
Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Кафедра экологии
Голынская Ф.А.
Метаморфизм. Метаморфические горные породы
1.Понятие о метаморфизме. Факторы метаморфизма.
Под метаморфизмом понимают изменение и преобразование горных пород под влиянием различных эндогенных геологических процессов, вызывающих значительные изменения термодинамических условий (прежде всего температуры и давления). Все преобразования в горных породах при процессах метаморфизма происходят путем их перекристаллизации в твердом состоянии. Метаморфизму могут подвергаться горные породы любого происхождения – осадочные, магматические и ранее существовавшие метаморфические. Степень изменения первичных горных пород (степень метаморфизма) может быть самой различной – от незначительных преобразований до полного изменения состава и облика пород.
Главными причинами, или факторами метаморфизма горных пород, являются температура, давление и химически активные вещества – растворы и летучие соединения.
Температура. Процессы метаморфизма, по мнению большинства исследователей, совершаются в интервале температур от 250 – 300° до 800° С. Повышение температуры всего на 10° С вдвое увеличивает скорость химических реакций, а на 100° С примерно в 1000 раз. В условиях земной коры повышение температуры вызывается двумя основными причинами:
Повышение температуры также может вызываться поступлением глубинных флюидов, местным возрастанием внутреннего теплового потока и некоторыми другими причинами.
Давление. Различают давление петростатическое (всестороннее) и боковое (одностороннее) или стресс.
Петростатическое давление является функцией глубины, и возрастание его обычно связано с погружением горных пород в глубь литосферы. Петростатическое давление также повышает температуру плавления минералов.
Боковое давление (стресс) возникает при интенсивных тектонических движениях дислокационного характера. Оно приводит к деформации, вызывает появление закономерностей пространственной ориентировки их в горной породе. Так, например, пластинчатые минералы располагаются плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления, в результате чего формируются так называемые сланцевые текстуры горных пород.
Химически активные вещества (вода, углекислота, водород, соединения хлора, серы и др.) являются катализаторами, облегчающими реакции между кристаллами, участвуют в образовании новых минералов, входя в их структуру и производя замещение старых минеральных ассоциаций новыми.
Существенная роль принадлежит фактору времени, ибо все это очень длительные процессы, осуществляющиеся в масштабах геологического времени.
Если же метаморфические преобразования сопровождаются значительным приносом и выносом, происходит замещение одних минеральных ассоциаций другими, изменяется химический состав горных пород. Такой метаморфизм называется метасоматическим.
2.Типы метаморфизма.
По преобладающей роли в процессе тех или иных факторов, а также в зависимости от масштабов явлений метаморфизма в пространстве выделяют отдельные виды, или типы метаморфизма. Основными типами метаморфизма являются региональный, контактовый и динамометаморфизм.
Региональный метаморфизм является наиболее распространенным и важным видом метаморфизма, поскольку охватывает огромные площади или целые регионы. Он проявляется в условиях, когда отдельные участки земной коры испытывают длительное прогрессивное погружение, в результате чегогорные породы перемещаются из верхних горизонтов земной коры в более глубокие. Обычно прогибание компенсируется осадконаполнением и в качестве главных факторов регионального метаморфизма, таким образом, выступает петростатическое давление и температура, постепенное повышение которой обусловлено геотермическим градиентом; существенную роль также может играть односторонне боковое давление и химически активные вещества.
В глубинных зонах земной коры может проявляться особая стадия регионального метаморфизма, называемая ультраметаморфизмом. Расплавы, возникающие при ультраметаморфизме и имеющие обычно гранитный состав, проникают во вмещающие породы, пронизывают их, образуя своеобразные породы смешанного состава – мигматиты. Широко развиты мигматиты в пределах древних щитов – Балтийского, Украинского, Алданского.
Контактовый метаморфизм проявляется на контактах магматических расплавов, внедряющихся в земную кору, с вмещающими породами. Вблизи контакта образуется ореол метаморфических пород, который обычно захватывает как окружающее магматическое тело породы, так и краевые части самого магматического тела. Ширина зоны контактового изменения (контактового ореола) может изменяться от сантиметров до первых километров. Основными причинами изменения горных пород в зонах контактов являются температура, возрастающая благодаря тепловому воздействию магматических масс на вмещающие породы, и химически активные газовые и жидкие растворы, выделяемые магматическими расплавами.
Процесс замещения одних минералов другими, протекающий при участии газовых и жидких растворов и сопровождающийся изменением химического состава минеральных образований называется метасоматозом, а разновидность метаморфизма – контактово – метасоматическим. В зависимости от агрегатного состояния растворов различают пневматолитовый и гидротермальный контактово – метасоматический метаморфизм. Наиболее распространенным контактово – метасоматическими горными породами являются скарны и грейзены.
Динамометаморфизм (катакластический, дислокационный метаморфизм) проявляется, главным образом, в верхних частях земной коры, в зонах развития тектонических движений дислокационного характера. Часто локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений. Таким образом, основной причиной, вызывающей его, является одностороннее давление. При динамометаморфизме изменяются в основном структурно – текстурные особенности горных пород. Происходит их дробление, а в более глубоких зонах в связи с повышением температуры механическое разрушение сменяется пластическими деформациями. В породах появляется полосчатость, заключающаяся в чередовании слоев различных по форме зерен и окраске минералов, возникает кристаллизационная сланцеватость.
3.Стадийность, зоны и фации метаморфизма.
Степень изменения пород при региональном метаморфизме находится в прямой зависимости от степени изменения термодинамических условий среды, ряд ученых в качестве главного критерия изменения условий рассматривают глубину протекния процесса, поскольку именно ею, в основном, определяется давление и температура.
При региональном метаморфизме различают три стадии изменения горных пород.
Первая стадия – стадия низкой степени метаморфизма или эпиметаморфизм. Ей соответствуют слабые изменения пород, которые проходят при температуре около 500° С и давлении менее 500 МПа (5000 атм.). При этом механические процессы преобладают над химическими и в породах сохраняются водные минералы. На этой стадии глины преобразуются в глиняные сланцы, песчаники – в кварциты, известняки – в мраморы. Ей соответствует самая верхняя зона метаморфических изменений – эпизона.
Вторая стадия – стадия средней степени метаморфизма или мезометаморфизм. Ей соответствуют температура от 500 до 1000° С и давление от 500 до 1000 МПа (от 5000 до 10000 атм.). На этой стадии происходит потеря водными минералами химически связанной воды. В результате глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые породы – в гнейсы, основные – в амфиболиты (роговообманковые сланцы). Этой стадии соответствует зона, расположенная ниже эпизоны, которая называется мезозона.
Третья стадия – высокой степени метаморфизма или катаметаморфизм. Преобразования на этой стадии происходят при температуре более 1000° С и давлении более 1000 МПа (10000 атм.). Гидростатическое давление преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы – над химическим. В результате породы приобретают гнейсовую и массивную текстуру: слюдяной сланец преобразуется в гнейс, среднезернистый мрамор – в крупнозернистый, слюдистый кварцит – в кварцитовидный гнейс. Эти породы образуют глубинную зону, располагающуюся ниже мезозоны – катазону.
В настоящее время, говоря о зонах метаморфизма, имеют в виду всю совокупность физико – химических условий, создающихся на той или иной глубине. В соответствии с этим большинство исследователей для характеристики процессов метаморфизма и классификации метаморфических пород пользуются понятием о метаморфических фациях. Под метаморфической фацией понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий используют так называемые индекс – минералы, устойчивые в строго определенных условиях температуры и давления.
По наличию минералов – индексов выделены фации:
повышение температуры =>
фация зеленых сланцев
эпидот – амфиболитовая фация
амфиболитовая фация
пироксен – роговообманковая фация
гранулитовая фация
глаукофановая фация
эклогитовая фация
Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных минеральных ассоциаций.
4.Метаморфические горные породы.
О реликтовой структуре говорят в том случае, когда в породе сохраняется текстура исходной материнской породы. Так в метаморфизованных осадочных породах сохраняется их слоистость. В условиях одностороннего давления создаются благоприятные условия для развития минералов, вытянутых в одном или двух направлениях (призматических, игольчатых и др.), а также для их упорядоченной переориентации в горных породах.
В результате образуются следующие основные виды текстур:
В некоторых породах, особенно контактово – метаморфических наблюдаются массивные структуры. Формы залегания метаморфических пород в абсолютном большинстве случаев наследуются от пород исходных. исключения составляют формы залегания контактово – метаморфических пород, представленных контактовыми ореолами.
Грунтом называют горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения. Сам же по себе грунт представляет собой закономерную, определенным образом построенную совокупность минералов. Закономерности состава и строения грунтов теснейшим образом связаны с условиями их происхождения. А состав грунтов, в свою очередь, в значительной мере определяет их физические и механические свойства.
Определение основных физических и механических свойств грунта в лабораторных условиях позволяет принять наиболее подходящие и рациональные проектные решения на этапе проектирования будущего здания или сооружения. Существенное влияние на технологию производства земляных работ оказывают такие физические свойства грунта, как: плотность, удельная и объёмная масса, влажность, водопроницаемость, влагоемкость, разрыхляемость, а также просадочность, набухание, переход в плывунное и мерзлое состояние.
С течением времени грунт может подвергаться как природным факторам воздействия, таким как изменения гидрологических условий, так и технологическим: давление, колебания, загрязнение. Изменение свойств грунтов является следствием протекающих в них процессов, поэтому изучение и прогнозирование таких изменений должны проводиться с учетом главных действующих техногенных факторов. В основу классификации данных факторов должен быть заложен процесс, оказывающий наибольшее влияние. В зависимости от их характеров и механизмов происходят более или менее глубокие изменения состава и состояния грунтов, вследствие чего изменяются и его свойства.
Основные технологические факторы влияния можно разделить на несколько групп:
— к первой группе относятся процессы, имеющие механическую природу воздействия на грунт, изменение величины нагрузки. Эта группа условно разделена на статическое воздействие, динамическое воздействие, а также факторы, вызывающие дробление и перенос веществ.
В результате этих факторов меняется его состояние (плотность) и структурная связность (при динамических нагрузках). Также, в процессе заготовки, погрузки грунта в карьере и транспортировки его на участок складирования возможно загрязнение грунта, увеличение содержания пылевидных и глинистых частиц и включений различных примесей, а значит, уменьшение водопроницаемости грунта. Кроме того, в процессе отсыпки и уплотнения грунта в конструкции происходит изменение гранулометрического состава, обусловленное измельчением зерен песка или щебня (гравия), приводящее к изменению класса или группы грунта. Таким образом, имеется вероятность получения из одного исходного материала (грунта в забое карьера) ещё 2-х: материала, хранящегося на складе, и лежащего в конструкции. Как следствие, возможны различные несоответствия характеристик грунта требованиям проектных и нормативных документов и паспортным данным.
— ко второй группе факторов, влияющих на изменение свойств грунта, относятся различные виды физического воздействия: тепловое, электрическое, магнитное, радиационное и др. Влияние их мало изучено, однако, исследование влияния на грунт становится актуальным. Сюда же относится воздействие, сопровождающееся изменением агрегатного состояния воды (морозное пучение грунта). Также влияние оказывают техногенные электрические поля, а именно блуждающие электрические токи, повышающие коррозионную активность по отношению к металлическим конструкциям (у глинистых грунтов).
К данной группе можно отнести факторы, связанные с изменением химического состава порового раствора, следствием которого является изменение гидрофильных свойств грунта. С увеличением гидрофильности связаны процессы набухания грунта, его разуплотнения и повышения влажности, а с уменьшением – усадки и трещинообразование.
— к третьей группе относятся факторы, вызывающие преобразования скелета грунта (в основном биохимические преобразования). Помимо этого, сюда же относятся некоторые виды интенсивного физического воздействия, которые способствуют разрушению (кислоты, щелочи, окислители и т.д.) и закреплению грунта.
Общие факторы, влияющие на изменение физико-механических характеристик грунта, приведены в таблице 1.
Изменение состояния и физико-механических свойств грунтов в зоне влияния статических нагрузок имеет большое практическое значение, поэтому заслуживает особого внимания и представляет интерес для градостроительства. Дело в том, что породы, залегающие в городах в зоне застройки, отличаются от пород на свободных от застройки территориях более плотным сложением, поскольку они прошли дополнительную стадию антропогенного эпигенеза. В результате ряда циклов нагрузок и разгрузок от веса городской застройки, которая со временем неоднократно обновлялась и сменялась, породы, залегающие в зоне влияния зданий и сооружений, уплотнились, повысили свою сопротивляемость сжатию и сдвигу. Это подтверждается теорией механики грунтов, лабораторными исследованиями и практикой строительства. Известно, что предварительное обжатие пород в компрессионном приборе значительно снижает деформируемость, повышает величину модуля деформации и уменьшает величину осадки.
Неоднократное чередование нагрузок и разгрузок, как свидетельствует изучение соотношений восстанавливающихся и остаточных деформаций сжатия, увеличивает сопротивляемость породы сжатию, способствует ее уплотнению за счет накопления остаточных деформаций, необратимого уменьшения пористости за счет перемещения скелетных частиц. В строительной практике городов в связи с надстройкой зданий допускается увеличение нагрузки на основание до 30-40 % от первоначальной в зависимости от состава и состояния грунтов основания.
Ниже представлены графики зависимости максимальной плотности грунта от его влажности вблизи здания-сооружения (график 1) и под подошвой фундамента (график 2).
Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter