3.2.2. Метаморфічні грунти

Під метаморфізмом гор­них порід розуміють істотні зміни їх мінерального соста­ва, структури і текстури, що відбуваються під впливом внутрішніх ендогенних процесів у земній корі із збереженням твердого стану породи без помітного розплавлення або розчинення. Тільки в особливих умовах процеси метаморфізму супроводяться переплавленням, у результаті якого утворюються ультраметаморфічні породи. Їх відмітними особливостями є присутність специфічних, властивих тільки метаморфічним породам, мінералів (кордієрит, андалузит, серпентин, хлоріт і ін.), як пра­вило, яскраво виражена паралельна текстура (так звана гнейсовидність), особливі, кристалобластичні структури. Особливості складу і будови обумовлюють відмінності фізико-механічних властивостей ґрунтів метаморфічного походження від магматичних, головною з яких є анізотропія показників властивостей.

Зміна гірських порід у процесі метаморфізму відбувається під впливом температури, тиску, рідких порових розчинів або газів, що просочуються через породу.

Метаморфізм є складним фізико-хімічним явищем. Усі перераховані чинники грають в ньому важливу роль і комплексно впливають на гірські породи. Тому розділення метаморфізму по переважаючих чинниках на катакластичний, термальний і дінамотермальний є достатньо умовним. Проте воно зручне для систематичного викладу матеріалу і дозволяє підкреслити найхарактерніші зв'язки між умовами утворення метаморфічних ґрунтів і їх фізико-механічними властивостями.

Катакластичний метаморфізм звичайно обмежений ділянками роз­винення скидань і інших тектонічних порушень. Процеси метаморфізму відбуваються при невеликому геостатичному тиску і досить низькій температурі. Породи при цьому зазнають вплив головним чином тектонічних напруг, у результаті яких відбуваються деформації і роздрібнення колишніх мінералів і структур. При низькій температурі під впливом однобічного тиску відбувається руйнування мінеральних зерен, одна частина зерна переміщається від­носно іншої. При одночасній дії однобічного і гідростатичного тиску і підвищеній температурі розриви і тріщини у породі не виникають, породи перетворюються у результаті пластичних деформацій. Одночасно можуть відбуватися і хімічні зміни гірських порід: нестійкі мінерали розчиняються, а стійкі зростають у певних напрямах, формуючи нову структуру і текстуру породи.

При формуванні термально-метаморфізованих порід (кон­тактовий метаморфізм) головними чинниками є температура і флюїди, джерелом яких є інтрузія магми. При цьому змінюється хімічний і мінеральний склад, формуються мономінеральні різновиди порід. Потужність ореолів контактово змінених порід різна і, за інших рівних умов, залежить від складу вміщаючих порід. У глинястих і мергелистих породах вона значно більше, чим у пісковиках і кварцитах.

Найтиповішими породами термального метаморфізму яв­ляються контактні роговики, скарни, кременисті породи. Найбільш розповсюдженні при так званому дінамотермальному або регіональному метамор­фізмі у результаті складної взаємодії температурних, гідро­статичних і тектонічних чинників при неодмінній участі летючих компонентів і різних розчинів.

Дінамотермальний метаморфізм охоплює обширні простори земної кори і часто називається регіональним. Регіональний метаморфізм пов'язаний із загальним геологоструктурним розвитком земної кори. Регіонально метаморфизовані товщі звичайно мають витримане простягання, характеризуються постійністю складу і будови усередині окремих зон і закономірною зміною метаморфізованих порід при переході від однієї метаморфічної зони до іншої.

Ступінь метаморфічних перетворень порід як осадових, так і магматичних залежить від температур і тиску. Кожній термодинамічній обстановці відповідає визначені, стійкі за даних умов, мінерали. Разом з тим, характер мінеральних новоутворень залежить від хімічного складу початкових порід. Інтервали термодинамічних умов, у межах яких стійкі певні мінерали і їх парагенезиси називають у петрографії метаморфічними фаціями. На прин­ципі метаморфічних фацій засновані усі сучасні класифіка­ції метаморфічних гірських порід. Кількість метаморфічних фа­цій і їх назви у різних дослідників різні. Виділяються фації: глинясті і мергелів; філітів і хлорітойдних зелених сланців; слюдяних і зелених хлоріт-актінолітових сланців; біотит-мусковитових і ставролітових гнейсів і епідотових амфіболітів; біотит-сілиманитових гнейсів і амфіболітів; гранатових амфіболітів і амфіболитових еклогитів; гранат-кордиєритових гнейсів і піроксенових амфіболітів; гранат-гиперстенових гнейсів (гранатових чарнокитів і плагиоклазових еклогитів, еклогитових гранулитів); гранат-кордиєрит-гиперстенових гнейсів і двупіроксенових основних сланців і ін.

З урахуванням основних якісних відмінностей у властивостях ці фації можуть бути з'єднаний в три групи. Першу групу складають породи низькому ступеню метаморфізму: глинисті сланці, філіти, хлоритойдні зелені сланці, серпентиніти і ін. Формування фацій цієї групи відбувається при невисоких температурах (100 - 400° С) і тиску 250 - 600 МПа.

Другу групу порід умовно можна назвати середньометаморфизованою. До неї відносяться породи фації слюдяних і хлоріт-актінолітових сланців, що утворилися при помірно висо­ких температурах (до 700 - 800° С) і тиску (до 800 МПа). Породи високого ступеня метаморфізму (різноманітні гнейси, кристалічні сланці, чарнокити і ін.) складені головним чином безводними високотемпературними мінералами і сформувалися при дуже високих температурах (700 - 1000° С) і тиску (так 1 - 1,4 тис. МПа). Ці мінерали мають дуже міцні структурні зв'язки достатньо стабільні у атмосферних умовах. Анізотропія властивостей таких порід виразна, але не має істотного значення при їх інженерно-геологічній оцінці, оскільки усі фізико-механічні параметри достатньо високі як вкрест сланцюватості, так і паралельно їй.

Фізико-механічні властивості метаморфічних гірських порід багато в чому близькі до магматичних, що обумовлено наявністю у них жорстких, переважно кристалізаційних зв'язків. Усі метамор­фічні породи, не будучи зміненими, мають міцність знач­но перевищуючу навантаження, існуючі у будівельній практиці. В межах реальних будівельних навантажень вони деформуються як квазіупружні тіла. Метаморфічні породи практично водотривкі і, за винятком карбонатних різниць, не розчиняються у воді. Деформації і фільтрація у масивах цих порід відбуваються по тріщинах і можуть бути значними у звітрілих зонах.

Разом з цим метаморфічні породи дещо відрізняються від магматичних. Ці відмінності цілком визначаються особливостями їх генезису. Для усіх метаморфічних порід характерна анізотропія властивостей, обумовлена сланцюватою текстурою. Характе­ристики міцності значно нижче уздовж сланцюватості, ніж перпенди­кулярно її. Сланцюватістю визначається і значна звітрюємість цих порід, а також знижена стійкість на природних схилах і у бортах штучних вироблень. Багато метаморфічних порід утворюють при звітрюванні тонкоплитчаті і листува­ті рухомі осипи. Особливо характерні вони для порід низьких ступенів метаморфізму. В цілому, інженерно-геологічні властивості метаморфічних порід визначаються типом і інтенсивністю метаморфічних процесів.

Серед порід, що зазнали глибокий регіональний метаморфізм, найбільш поширені гнейси і кристалічні сланці. Фізико-механічні властивості гнейсів залежно від складу, структури, текстури і стану змінюються у широких межах. Так, при середніх значеннях модуля пружної деформації 60 - 70х10³ МПа величина цього показника змінюється від 120х10³ МПа (деякі ортогнейси) до 10х10³ МПа (біотитові гнейси). Структурно-текстурні особливості гнейсів впливають і на їх міцність. Опір стисненню біотитові гнейсі 100 - 130 Мпа. Очко­ві гнейси неморозостійкі: після випробувань на морозостійкість їх міцність знижується в 2 - 2,5 рази. Найбільшу стійкість проти звітрювання мають кварцові гнейси: полевошпатові і біотитові гнейси звітрюються легше

Найрізноманітнішу групу по фізико-механічних властивостях утворюють сланці. Загальною ознакою, що відрізняє їх від масивних метаморфічних порід, є тонка сланцюватість. Ця особливість текстури визначає різку анізотропію властивостей сланців, а також здатність їх розколюватись на тонкі, часто листоваті плитки. Усе це знижує їх морозостійкість і сприяє швидкому звітрюванню. Сланцюватість сприяє зісковзуванню і оповзанню сланців як на природних схилах, так і у бортах дорожніх виїмок, будівельних котлованів і кар'єрів.

Залежно від ступеня метаморфізму міцність сланців змінюються у широких межах, від 100 МПа у кристалічних різниць до декількох мегапаскалій у глинястих. Кристалічні сланці біотитового, мусковитового, двуслюдяного, кварцово-слюдяного складу у напрямі, перпендикулярному сланцюватості, мають міцність на стиснення 120 - 160 МПа, у водонасичених зразків вона знижується приблизно на 30%. Якнайменше стійкі глиня­сті сланці. У повітряно-сухому стані вони мають значну міцність - до 20 і навіть 40 МПа, але при водонасиченні зразки руйнуються. Глинясті сланці неморозостійкі, хоча і стійкі до хімічного звітрювання. У процесі фізичного звітря­вання глинястих сланців на схилах утворюються рихлі осипи. Насичення осипів водою після сильних злив призводить у гірських районах до утворення селевих потоків.

Найпоширенішою породою, що утворюється при термаль­ному контактному метаморфізмі, є роговики. Для них харак­терна повна перекристалізація матеріалу, утворення кристалобластичних структур. Зовнішній вигляд роговиків різний. Звичайно це темні щільні породи, що мають однорідну тексту­ру і дрібнозернисту структуру. Розрізнений і мінеральний склад роговиків. Частіше за інші зустрічаються кварц-біотит-полевошпатові поро­ди, що утворилися з пелітового матеріалу. У інженерно-геологічній практиці роговики розглядаються як вельми сприятливі підґрунтя для відповідальних споруд. Міцність їх звичайно перевищує відповідні параметри вміщаючих порід, а від порід інтрузій їх вигідно відрізняє менша тріщинуватість і велика однорід­ність. Хоча усі роговики є міцними породами, відмінності у фізико-механічних властивостях окремих їх різновидів можуть бути істотними, що визначається перш за все їх струк­турно-текстурними відмінностями. Найбільш високі показники мають тонко- і дрібнозернисті різниці; більш низькі значення міцності характерні для неравномірнозернистих порід з пористістю до 3,5%. Усі роговики стійкі по відно­шенню до звітрювання, на складених ними природних схилах формуються обвали, куруми, крупнощебенясті осипи.

Характерними представниками тектонітів (тобто порід катакластичного метаморфізму) є брекчії тертя, катаклазіти, мілоніти. Це роздроблені, іноді перетерті породи, у різному ступені зцементовані. Брекчії тертя складаються з уламків порід різної величини, звичайно гострокутних, зцементованих тонкораздрібленою масою тих же порід. Катаклазіти відрізняються від брекчій меншим розміром уламків; вони характеризують початкові стадії зміни порід. Катаклазіти зберігають чор­ти висхідного матеріалу, відповідно до складу якого розрізняють катаклазіти гранітів, габбро, пісковиків і т.д. В цілому ці породи ще зберігають високі значення показників міцності. Мілоніти, на відміну від катаклазітів, характеризуються різкою розсланцьованістю. Вони представляють мікробрекчиї грубо або тонкополосчатої структури. Усе тектоніти у природному заляга­нні мають достатньо високу густину, їх не можна уявляти собі як рихлі маси. Проте міцність і деформаційні властивості тектонітів значно гірше за первинні породи - гранітів, пісковиків, алевролітів і т.д. Завдяки сланцюватій текстурі, наявності роздрібнених прошарків, хлоритизації і серицитизації первинних мінералів різко знижується опір зсуву.

Звичайно катаклазовані породи складають малопотужні зони, приурочені до скидань, надвигів і інших розривних порушень. Вони інтенсивно звітрюються, відносно легко розмиваються, дають матеріал для осипів і інших процесів на схилах. У загальному випадку тектоніти можна розглядати як ослаблені зони скель­них масивів.