3.2.Скельні грунти

3.2.1. Магматичні грунти

Загальна характеристика і підрозділ. Магматичні гірські породи утворюються в результаті розкристалізації глибинних роз­плавів (магми) переважно флюїдно-силікатного складу, яка походжає при русі магми у верхні частини земної кори або виході її на поверхню. Формування магматичних гірських порід і їх властивостей починається з моменту народження магми у глибинах Землі. Тривалі тісно зв'язані між собою і послідовно змінюючи один одного складні фізичні, хімічні і фізико-хімічні процеси, що відбуваються в ході народження і розкристалізації магми, обумовлюють різноманіття хімічного і мінераль­ного складів вивержених порід.

Вже в початкових глибинних процесах виникнення гірських порід закладені майбутні відмінності в їх властивостях, які обумовлені різним хімічним складом магми, різною в'язкістю розплавів і різним вмістом в них летючих компонентів. Величезний вплив на формування складу, структури і текстури породи надають умови кристалізації. По мірі руху магми у верхні частини земної кори, аж до виходу на поверхню в ній різко змінюються термодинамічні умови: падає тиск, зменшуються температури, збільшується в'язкість розплаву унаслідок втрати флюїдів. Починають утворюватися перші кристали. Звичайно це високотемпературні мінерали, такі як магнезіальний олівін, піроксен, титаномагнетит, а також, при повільному застиганні магми, плагіоклази. Центрів кристалізації на цій стадії мало, і кристали, що зароджуються, мають нагоду вільно рости у роз­плаві. Утворюються крупні кристали мінералів за сприятливих тектоно-магматичних умов, формуються інтрузивні тіла з грубозернистою структурою.

При подальшої кристалізації протокристали можуть всту­пити у взаємодію із залишковим розплавом і частково розчинитися. Проте за певних умов (наприклад, при швидкому піднятті магма) вони зберігаються, утворюючи порфірні вкрапленики і гломеропорфірові зростки кристалів. Це важливий етап у форму­ванні породи, оскільки наявність вкраплеників створює неоднорідну текстуру породи і надалі значною мірою обумовлює неоднорідність властивостей ґрунтів. Крім того, протокристали, по мірі розкристализації розплаву зазнають сильні і нерівномірні напруги і завжди розбиті тріщинами. При подальшій розкристалізації магми в ній, залежно від динаміки процесу, можуть вирости як крупні, так і дрібні кристали, сформуватися крупно - і середньозернисті структури. Крупні кристали і в цьому випадку розбиті тріщинами в результаті напруг, виника­ючих як при загальному охолодженні розплаву (що характерне для вкрап­леників у породах, що вилилися) так і під дією тектонічних сил (при формуванні абісальних і гіпабісальних геологічних тіл).

Високотемпературні мінерали, що виникли в глибинних зонах земної кори, потрапляючи в іншу термодинамічну обстановку з підйомом магми, стають нестійкими і значно легше підда­ються вторинним змінам, ніж низькотемпературні, що утворилися у приповерхневих умовах. Завдяки цьому часто в породі можуть зустріти сильно з­мінені кристали плагіоклазів, піроксенів і олівіна на фоні сві­жих кристалів основної маси. Особливо легко розкладається і заміщається вторинними мінералами олівін. Заміщаючи олівін серпен­тин і хлорит менш міцні, ніж основні породоутворюючі мінера­ли мігматитів: фізико-механічні властивості таких порід помітно погіршуються. Крім того, заміщення олівіну на серпентин, хлорити і інші водні силікати супроводиться розтріскуванням навколишніх мінералів в результаті напруг, що виникають при утворенні вторинних мінералів, оскільки об'їм останніх більше об'єму заміщеного олівіну. В результаті відбувається загальне зниження міцності гірської породи. Описані явища пояснюють, чому значення пока­зників міцності і деформаційних властивостей реальних гірських порід завжди виявляються більш низькими, ніж теоретичні очікувані за оптимальних умов розкристалізації розплаву.

По мірі просування магма асимілює навколишні породи; при цьому змінюється її хімічний склад, виникають додаткові центри кристалізації, що обумовлюють зменшення розмірів кристалів у породі, з'являється ксеноліт істотно інших мінеральних асоціацій. Таким чином, навіть у абісальних умовах, тобто при збереженні стабільного режиму кристалізації протягом довгого часу, формуються гірські порід різного складу, структури і текстури з істотно різними фізико-механічними властивостями.

Виливаючись на поверхню, магма може потрапити як у водне, так і повітряне середовище, що викликає певні відмінності у структурі і текстурі породи. При підводному виявленні, в результаті взаємо­дії розплаву з водою відбувається утворення пари води, формуються пузирчасті текстури. Завдяки високим напругам, що виникають при швидкому охолоджуванні гор­ної породи у воді, відбувається утворення тріщин як усередині мінералів так і усередині лавового потоку. При наземних виявленнях на по­верхні потоків швидко формується так звана скориночка зака­лювання, яка перешкоджає видаленню з внутрішніх частин ла­вових потоків різних газів. При цьому у верхній частині потоку формуються породи, що містять значну кількість крупних пір і різко відмінні за двома властивостями від порід того ж складу у внутрішніх частинах потоку. Породи, що вилилися, звичайно погано розкристалізовані і містять скло. Проте у централь­них частинах ефузивних покривів, де охолодження йде повільніше, можуть утворитися повно­кристалічні структури, які аналогічні структурам порід гіпабісального генезису.

Усі магматичні породи з погляду використовування їх в будівництві мають багато загального між собою. Ця спільність фізико-механічних властивостей обумовлена міцними структурними зв'язками між мінеральними зернами. Магматичні породи мають високу міцність, значно перевищуючу навантаження, відомі в інженерній практиці, не розчинні у воді і водопрони­кні тільки по тріщинах. Проте хоча значення показників фізи­ко-механічних властивостей мігматитів і є високими, вони можуть коливатися в широких межах, залежно від складу і будови породи.

Найбільш докладно вивчений вплив речовинного складу магматичних гірських порід на їх густину. Серед інтрузивних порід найбі­льш низьку щільність мають граніти (ρ = 2,57 г/см3). По мірі збільшення основності густина інтрузивних порід зростає; її середні значення складають у гранодіорітів - 2,7 г/см3, у кварцових діоритів - 2,75, у діоритів - 2,80, у габбро - 2,95, у серпентованих гіпербазитв - 3,0, у піроксенитів - 3,20, у перидотитів - 3,27 г/см3. Та ж тенденція спостерігається і у зміні щільності ефузивних гірських порід: для порід кислого складу (ліпаритів) густина рівна у середньому 2,35 г/см3, для порід середнього складу (андезитів) – 2,50, для основних (базальтів) - 2,54 г/см3. Палеотипні ефузивні породи мають більш високі значення густини: від 2,60 г/см3 у кварцових порфірів до 2,85 у діабазів.

Величина модулю деформації гранітів не перевищують 80х10³ МПа, тоді як модуль пружності габбро рівний 100х10³ МПа, а ультраосновних порід 100 – 120х10³ МПа.

Фізико-механічні властивості вивержених гірських порід змі­нюються у широких межах залежно від їх будови. Структури і текстури ефузивних і інтрузивних порід різні. Для палеотипних порід, що вилилися, особливо характерні сферолітові структу­ри, які утворюються при девітрифікації скла.

Вплив текстур на фізико-механічні властивості ефузивних порід дуже великий. Міцність базальтів з масивною текстурою звичайно перевищує 200 МПа, а базальти того ж складу з грубопузирьчатою текстурою характеризуються міцністю на стиснення 20 - 40 МПа. Породи з мігдалекам’яною текстурою значно міцніше за пузирчасті, але завдяки своїй неоднорідності поступаються у міцності масивним різновидам. Схожий вплив надає і порфірова структура, яка характерна не тільки для ефузивних, але і для дайкових порід, а також для порід малих інтрузій.

Найбільш міцними породами є дрібнозернисті різниці: їх міцність час­то перевищує 200 МПа. У грубозернистих різновидів міцність на стиснення значно нижче і навіть у свіжих порід небагато чим більше 100 МПа. Показники міцності порфіритів змінюються у широких межах (коефіцієнт варіації досягає 40%). У загальному випадку порфірити характеризуються відносно низькою міцністю на стиснення (60-90 МПа). Особливо різко знижується міцність при збільшенні вмісту у породі хлориту і гідрослюд, які часто заміщають вулканічне скло. Андезити характеризуються високою міцністю і стійкістю проти звітрювання. Величина тимчасового опору стисненню їх коливається в інтервалі 120 – 240 МПа. Фізико-механічні властивості пірокластичних порід (туфів, туфопісковиків, туфобрекчій) характеризуються різними значеннями показників властивостей, що пов'язано з неоднорідністю їх складу і структури. Масивні щільні різниці мають міцність на стиснення до 280 - 300 МПа. Із збільшенням пористості міцність знижується. Серед вулканічних туфів зустрічаються і дуже слабі різниці з міцністю на стиснення менше 50 МПа. Вони легко звітрюються перетворюючись на глинясті породи різного мінерального складу.