Евстратов Н.П. Инженерная геология: Методические указания
Подождите немного. Документ загружается.
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Кафедра ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ
Методические указания для лабораторных занятий студентов всех форм
обучения строительных и строительно-экономических специальностей
Брянск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………….6
Лабораторная работа 1……………………………………………………..7
1 Физические свойства минералов……………………………………….7
Лабораторная работа 2…………………………………………………....10
2 Самородные элементы. Сульфиды. Галоиды. Сульфаты……………10
2.1 Самородные элементы……………………………………………...10
2.2 Сульфиды……………………………………………………………12
2.3 Галоиды……………………………………………………………...13
2.4 Сульфаты…………………………………………………………….14
Лабораторная работа 3……………………………………………………15
3 Оксиды и гидроксиды. Карбонаты. Фосфаты………………………..15
3.1 Оксиды……………………………………………………………….15
3.2 Гидроксиды………………………………………………………….17
3.3 Карбонаты…………………………………………………………...18
3.4 Фосфаты……………………………………………………………..19
Лабораторная работа 4……………………………………………………20
4 Силикаты………………………………………………………………..20
4.1 Островные силикаты………………………………………………..21
4.2 Кольцевые силикаты………………………………………………..22
4.3 Цепочечные силикаты………………………………………………23
4.4 Ленточные силикаты………………………………………………..23
4.5 Листовые силикаты…………………………………………………23
4.6 Каркасные силикаты………………………………………………..25
Лабораторная работа 5……………………………………………………28
5 Горные породы…………………………………………………………28
5.1 Магматические горные породы……………………………………28
5.1.1 Кислые породы……………………………………………………30
5.1.2 Средние породы…………………………………………………...31
5.1.3 Основные породы…………………………………………………32
5.1.4 Ультраосновные породы………………………………………….33
5.1.5 Пирокластические или вулканогенные обломочные породы….33
Лабораторная работа 6…………………………………………………....34
6 Осадочные горные породы…………………………………………….35
6.1 Обломочные породы………………………………………………..35
6.2 Химические осадочные породы……………………………………37
6.3 Галоидные породы………………………………………………….38
6.4 Сульфатные породы………………………………………………...38
6.5 Кремнистые породы………………………………………………...39
6.6 Фосфоритные породы………………………………………………39
6.7 Органогенные породы………………………………………………39
6.7.1 Карбонатные породы……………………………………………..39
2
6.7.2 Кремнистые породы………………………………………………40
6.8 Каустобиолиты……………………………………………………...41
Лабораторная работа 7……………………………………………………42
7 Метаморфические горные породы……………………………………42
Лабораторная работа 8……………………………………………………45
8 Основные продукты экзогенных геологических процессов………...45
Приложение 1……………………………………………………………..50
Приложение 2……………………………………………………………..51
Список литературы……………………………………………………….52
3
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная геология изучает вопросы применения геологии к
инженерному делу с учетом экономической целесообразности. Задача
инженерной геологии – изучать геологические процессы и физико-
технологические свойства горных пород и минералов с целью использования
их в строительстве и вообще в народном хозяйстве.
В процессе лабораторного цикла занятий студенты ознакомятся с
минералогией и научатся определять физические свойства, химический
состав, форму, условия образования и изменения минералов. Изучат вопросы
петрографии – науки о горных породах, которая с различных точек зрения
даст возможность определять их строение, состав, закономерности
образования, формы залегания и распространенность.
В своей практической деятельности специалистам строительно-
экономического направления придется решать вопросы, связанные с
использованием горных пород и минералов в народном хозяйстве, в том
числе и в строительстве. Детальное и всестороннее изучение свойств
минералов и горных пород позволит дать заключение о том, в качестве каких
конструктивных элементов их можно использовать. Использование
минералов и горных пород в тех или иных целях должно быть экономически
целесообразно как с точки зрения отраслевой экономики, так и с точки
зрения экологического состояния региона и планеты в целом.
Методические указания выполнены для студентов очного и заочного
обучения по специальностям ПГС, ПСК, ГСХ, ЭУС, ЭУП, ЭУН.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
1 Физические свойства минералов
1.1 Минералами называются самородные элементы или природные химические
соединения, обладающие определенным химическим составом и физическими свойствами, и
являются естественными продуктами различных физико-химических процессов, протекающих в
земной коре, гидросфере, атмосфере, биосфере и в результате взаимодействия между ними.
Большинство минералов представлено твердыми кристаллическими телами. Реже
встречаются коллоиды, твердые изоморфные, жидкие и газообразные минералы. Например,
жидкие минералы – ртуть, вода и газообразные – горючие газы, CO
2
.
В природе встречаются около 3800 минералов, но сравнительно не многие из них широко
распространены. Около 50 минералов входят в состав многих горных пород и их называют
породообразующими. По химическому составу и кристаллическому строению минералы
подразделяются на классы, которые иногда делятся на подклассы. Это самородные элементы,
сульфиды, галоиды, оксиды и гидроксиды, карбонаты, фосфаты, сульфаты и силикаты.
Для того, чтобы определить наименование минерала, необходимо знать его основные
физические свойства: цвет минерала, цвет черты, блеск, прозрачность, излом, спайность,
твердость, плотность.
1.2 Цвет. Цвет минерала зависит от химического состава и наличия примесей. Есть
минералы, имеющие определенный цвет, по которому можно безошибочно определить его
название. Например, пирит золотистый, малахит зеленый, лазурит синий и т.д. Большинство
минералов имеют широкий спектр цветов. Например, гипс может быть белый, розовый, желтый,
серый; кварц – белый, розовый, бесцветный, черный; флюорит – фиолетовый, желтый, зеленый,
розовый, бесцветный.
1.3 Цвет черты. Это цвет минерала в порошке. Порошок получают, проводя куском
минерала черту по фарфоровой пластинке. У некоторых минералов цвет черты не совпадает с
цветом минерала в куске (штуфе). Так пирит золотистого цвета дает черную черту, а черный
лабрадор – белую черту. Красный, бурый и магнитный железняки в куске могут иметь почти
одинаковый цвет, а цвет черты соответственно различный: вишнево-красный, бурый и черный.
Черный в штуфе сфалерит имеет коричневую черту, таким образом, цвет черты является важным
диагностическим признаком для многих минералов.
1.4 Блеск. Блеск обусловлен способностью минералов отражать солнечный свет от своей
поверхности. Интенсивность и характер блеска определяется двумя факторами: показателем
преломления и коэффициентом поглощения минералами света. Различают блеск металлический,
полуметаллический и неметаллический.
Металлический блеск напоминает поверхность свежего излома металлов и свойственен
минералам, обладающим большим коэффициентом поглощения: самородным элементам (золото,
серебро, платина, медь), сульфидам (пирит, халькопирит, галенит), окислам тяжелых металлов
(магнетит). У минералов с металлическим блеском черта, как правило, темно-окрашенная или
черная.
Полуметаллический блеск напоминает потускневший металлический. К минералам с
полуметаллическим блеском относятся графит, иногда гематит, черная цинковая обманка.
Неметаллический блеск характерен для прозрачных или просвечивающих в тонких срезах
минералов. Различают следующие виды неметаллического блеска: алмазный (алмаз, галенит,
киноварь), стеклянный (кварц, кальцит, флюорит, гипс), жирный (тальк, нефелин), шелковистый
– мерцающий (асбест, волокнистый гипс), перламутровый – отливает радужным цветом и
характерен для слюд (мусковит, пластинчатый гипс), матовый – присущь пористым минералам
(каолин, лимонит).
1.5 Излом. Это вид поверхности, образующийся при раскалывании минерала по случайным
направлениям. Излом имеет виды ровный – у минералов с совершенно й спайностью (кальцит,
галит); неровный – без блестящих спайных участков (нефелин, апатит); занозистый- характерен
для минералов волокнистого, игольчатого сложения (волокнистый гипс, роговая обманка);
5
зернистый – присущ минералам зернистого строения (оливин, ангидрит); раковистый –
характерен для окислов кремния (кварц, халцедон, магнезит, опал); крючковатый – (серебро,
медь); землистый – (каолин, лимонит, фосфорит).
1.6 Спайность. Способность минерала раскалываться при ударе по определенным строго
ориентированным плоским поверхностям, направление которых зависит от строения
кристаллической решетки минерала. При этом образуются ровные или зеркально-ровные
блестящие плоскости спайности. Спайность может проявляться в одном, двух, трех, четырех и
шести направлениях. Различают несколько видов спайности: весьма совершенная, совершенная,
средняя (явственная), несовершенная и весьма несовершенная.
Весьма совершенная спайность характеризуется тем, что минерал легко расщепляется на
отдельные листочки с зеркально-блестящей поверхностью (мусковит, гипс пластинчатый, слюды).
Совершенная спайность. Минерал распадается при легком ударе на кусочки ограненные
гладкими плоскостями, кубы или другие формы (галит, кальцит).
Средняя (явственная) спайность характерна наличием ровных поверхностей спайности и
хорошо заметных неровных поверхностей излома (полевые шпаты, роговая обманка, авгит).
Несовершенная спайность. При раскалывании минерала образуются поверхности с
неровным изломом, с едва заметными признаками спайности (апатит, оливин, лазурит, нефелин).
Весьма несовершенная спайность. Минерал распадается на обломки без признаков
спайности (молочно-белый кварц, золото, платина).
1.7 Твердость. Под твердостью понимают степень сопротивления минерала внешним
механическим воздействиям – царапанию, резанию более твердым телом. Относительную
твердость определяют по шкале Мооса, в которой используются минералы с постоянной
(эталонной) твердостью. В шкале минералы расположены в порядке увеличения твердости (от 1 до
10 баллов) и каждый последующий минерал царапает предыдущий.
1. Тальк – Mg[Si
4
O
10
](OH)
2
6. Ортоклаз – K[AlSi
3
O
8
]
2. Гипс – CaSO
4
2H
2
O 7. Кварц – SiO
2
3. Кальцит – CaCO
3
8. Топаз – Al
2
[SiO
4
](F,OH)
2
4. Флюорит – CaF
2
9. Корунд – Al
2
O
3
5. Апатит – Ca(F,Cl)[PO
4
]
3
10. Алмаз – C
Твердость можно определить подручными средствами. Минералы с твердостью 1 пишут на
бумаге, не царапая ее. Минералы с твердостью до 2 чертятся ногтем. Минералы с твердостью 3
царапаются медной монетой, с твердостью 4-5 царапаются оконным стеклом, с твердостью 5 –
лезвием стального ножа. Большинство минералов в природе имеют твердость до 7, и твердость 7
соответствует твердости напильника.
1.8 Прозрачность определяется способностью минерала пропускать или поглощать
световые лучи. В зависимости от этого свойства минералы делятся на прозрачные (горный
хрусталь, топаз, исландский шпат, кварц), полупрозрачные (опал, халцедон, изумруд) и
непрозрачные (пирит, графит, магнетит).
1.9 Плотность. По плотности минералы подразделяются на легкие (до 2,5 г/см
3
), средние
(2,5-4,0) и тяжелые (более 4). Легкие минералы: гипс, графит, опал, полевой шпат, галит и др.
Средние минералы (их большинство): кварц, кальцит, магнезит и др. тяжелые минералы: золото,
серебро, медь, галенит, магнетит и др.
Дополнительно для некоторых минералов учитывают следующие физические свойства:
растворимость в воде – соли; набухание в воде – каолинит; радиоактивность – уран, радий и т.д.;
ковкость – золото; горючесть – сера; магнитность – магнетит; вскипание с HCl – карбонаты;
растворимость в H
2
SO
4
– флюорит и т.д.
Материальное обеспечение занятий.
1) Коллекции породообразующих минералов
2) Шкала твердости Мооса, фарфоровые пластинки
3) Раздаточные образцы минералов
4) Капельницы с соляной кислотой
5) Плакат с классификацией породообразующих минералов
6
Вопросы для защиты лабораторной работы
1. На какие классы подразделяются минералы
2. Назовите минералы шкалы твердости Мооса
3. Определение твердости минерала
4. Назовите виды излома минералов
5. Деление минералов по окраске
6. Назовите распределение минералов по блеску
7. Дайте определение прозрачности
8. Назовите прозрачные минералы
9. Специфические физические свойства для отдельных минералов
10. Определение твердости минерала подручными средствами
11. В каком виде встречаются минералы в природе
12. Результаты изучения физических свойств минералов оформляются в рабочей тетради в виде
записей.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
2 Самородные элементы. Сульфиды. Галоиды. Сульфаты
2.1 Самородные элементы
К этому классу относятся около 50 минералов и они составляют 0,1%
массы земной коры. Самородные элементы, как правило, химически инертны
и состоят из одного или двух химических элементов. Наибольшей
известностью среди них пользуются золото, серебро, платина, медь, алмаз,
графит, сера, кислород, водород, азот и др.
Графит ( C ) . Название происходит от греческого слова «графо» - пишу.
Цвет железисто-черный, цвет черты – черный. Жирный на ощупь. Спайность
совершенная в одном направлении. Твердость 1, плотность 2,2. Обладает
огнеупорностью и кислотостойкостью. Происхождение магматическое и
метаморфическое. Используется для производства электродов,
гальванических элементов, карандашей, огнеупорных красок, смазочных
материалов, плавильных тиглей.
Сера ( S ) . Главная масса самородной серы образуется при распадении
гипса и других сернистных соединений в присутствии органических веществ.
Окрашена в разные оттенки желтого цвета. Твердость 1-2, плотность 2,0.
Черта белая, спайность несовершенная. Горит, а при температуре 114-119°С
плавится, превращаясь в подвижную желтую жидкость. Применяется в
химической промышленности: производство H
2
SO
4
; искусственного волокна
– вискозы; ультрамарина, синьки. В целлюлозно-бумажной, резиновой
промышленности. При изготовлении спичек, взрывчатых веществ и для
борьбы с сельскохозяйственными вредителями.
Золото ( Au ) . Встречается в самородном состоянии в виде
неправильных зерен, листочков, дендритообразных кристаллических
сростков, самородков и очень редко октаэдров, кубов. Наиболее часто
встречается в гидротермальных месторождениях и в россыпях, где оно
7
концентрируется вследствие большой удельной массы и химической
стойкости. Растворяется только в царской водке. Цвет золотисто-желтый;
черта металлическая желтая. Блеск металлический. Обладает хорошей
ковкостью и высокой электропроводностью. Твердость 2,5-3, плотность 15,6-
19,0. Температура плавления 1063°С, кипения - 2970°С.
Платина ( Pt ) . Химически чистая платина встречается в природе
исключительно редко, и обычно самородной платиной называют группу
сходных по внешнему виду минералов, представляющих твердые растворы
платины с железом (поликсен, ферроплатина), с железом и медью
(купроплатина), с железом, медью и никелем (никелистая платина). С
палладием (палладистая платина), с железом и иридием (иридистая платина),
с железом и родием (родистая платина). Встречается в зернах, чешуйках,
реже в мелких кубических кристаллах, а также в самородках (россыпях).
Твердость 4-4,5, плотность 15-19, цвет от серебристо-белого до стально-
серого. Черта металлическая, стально-серая; блеск типично металлический.
Под действием большинства кислот не изменяется. Температура плавления
1775°С, кипения 4350°С.
Главнейшими ценными свойствами платины и металлов ее группы
является тугоплавкость, электропроводность и химическая устойчивость.
используется в химической промышленности, в авиации, военном деле,
ювелирном деле, для изготовления огнеупорной и кислотостойкой посуды, в
зубоврачебном деле.
Алмаз ( C ) . Название происходит от греческого «адамас», что означает
неодолимый. Встречается в кристаллах кубической сингонии (октаэдры и
др.). Твердость 10 (в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз
твердость корунда), плотность 3,5. Обычно бесцветен, прозрачен или
окрашен в голубой, синий, желтый, зеленый, бурый и черный цвета. Блеск
алмазный, слабоэлектропроводен, хрупок.
Легко определяется по высокой твердости, сильному алмазному блеску
и по люминесценции в ультрафиолетовых лучах голубовато-серыми тонами.
Связан с ультраосновными глубинными породами, в Южной Африке с
алмазоносными породами – кимберлитами, представляющими темную
тяжелую породу состоящую из серпентина, кальцита, оливина, апатита,
магнетита и др. добывается также в Саха Якутии и Индии.
Используется в ювелирном деле; в металлообрабатывающей,
камнеобрабатывающей, абразивной промышленности, в бурении.
Ограненный алмаз называют бриллиантом, что с французского переводится
как «сверкающий».
Янтарь (C
10
H
10
O
4
). Он является измененной смолой деревьев
третичного возраста, которая приобрела свойства твердого, хорошо
полируемого и обрабатываемого минерала. Типичная смола с содержанием
около 79% углерода, 10% кислорода, 11% водорода и примесей серы и золы.
Янтарь плавится при температуре 250-300°С, при сжигании издает
приятный запах гвоздики. Имеет до 300 оттенков, в зависимости от
8
соотношения углерода, водорода и кислорода. Имеет иногда включения
насекомых. При трении электризуется, легче морской воды.
Из янтаря получают лаки, канифоль, янтарную краску, кислоту.
янтарное масло используется в парфюмерии. Добывается в Балтийском море,
для России – Янтарный берег в пределах Калининградской области.
2.2 Сульфиды
Это соли сероводородной кислоты H
2
S. Они насчитывают около 350
минералов и составляют 0,15% от массы земной коры. Происхождение
сульфидов в основном эндогенное. Образуют вкрапления и сплошные
зернистые массы. Легко окисляются и переходят в различные вторичные
минералы карбонаты, сульфаты, окислы и силикаты.
Сфалерит (ZnS, цинковая обманка). Греческое слово «сфалерос»
означает – обманчивый. Часто встречается в виде хорошо образованных
тетраэдрических кристаллов, а также в сплошных массах и реже в
почковидных образованиях. Твердость 3,5-4, плотность 3,9-4,2, цвет
преимущественно коричневый, бурый до черного, черта коричневая, бурая
разных оттенков. Блеск алмазный, спайность совершенная. Используется как
руда на цинк.
Галенит (PbS, свинцовый блеск). Часто содержит серебро до 5%,
встречается в кубических кристаллах, а также в плотных зернистых массах.
По гречески «галена» - свинцовая руда. Твердость 2,5, плотность 7,4-7,6.
Цвет свинцово-серый, блеск металлический. Черта серовато-черная.
Спайность совершенная в трех направлениях. Происхождение эндогенное,
распространен в гидротермальных месторождениях, обычно вместе со
сфалеритом, используется как руда на свинец.
Пирит (FeS
2
, серный колчедан). В переводе с греческого «пирос»
обозначает огонь. Образует друзы, вкрапления, сплошные зернистые массы.
Имеет примеси золота, меди, цинка. Имеет сильный металлический блеск и
золотистый (соломенный) цвет. Черта черная, зеленовато-черная.
происхождение эндогенное, метаморфическое и экзогенное. Твердость 6-6,5,
плотность 4,9-5,2. Спайность весьма несовершенная. Используется как сырье
для получения H
2
SO
4
и сопутствующих металлов.
Халькопирит (CuFeS
2
, медный колчедан). Название происходит от
греческих слов «халькос» - медь и «пирос» - огонь. Двойной сульфид, имеет
сильный металлический блеск. Цвет латунно-желтый, часто с пестрой
побежалостью, черта черная, зеленовато-черная. Твердость 3,5-4, плотность
4,1-4,3. Происхождение такое же, как и у пирита, но он значительно мягче
пирита. Используется как руда на медь, для получения медного купороса.
При полном использовании можно получить железо, серу и сопутствующие
металлы.
Киноварь (HgS). Название происходит от арабского слова «кинобари» -
кровь дракона. Встречается чаще всего в неправильных зернах в виде
порошковых примазок и налетов. Цвет яркий темно-красный, блеск
9
алмазный. Твердость 2-2,5, плотность 8-8,2. Образуется эндогенным путем в
низкотермальных, гидротермальных месторождениях. Используется как руда
ртути и для приготовления краски.
Молибденит (MoS
2
, молибденовый блеск). Встречается в тонких
листовато-чешуйчатых кристаллах и редко в таблитчатых гексагональных
кристаллах, напоминающих графит. Цвет свинцово-серый с голубоватым
оттенком, черта голубовато-серая. Блеск металлический. Твердость 1,
плотность 4,8. Пачкает руки, жирный на ощупь. Встречается в виде
вкраплений в гранитах, гранодиоритах, пегматитовых жилах; происхождение
эндогенное, часто в парагенезисе с пиритом, халькопиритом и другими
сульфидами. Молибден употребляется в металлургии для изготовления
качественных сталей, в электротехнике, в химии и т.д.
К сульфидам относятся также реальгар (AsS, сернистый мышьяк),
антимонит (Sb
2
S
3
, сурьмяный блеск), висмутин (Bi
2
S
3
, висмутиный блеск) и
др. Все сульфиды при выветривании переходят в другие соединения по
схеме: сульфиды – сульфаты – карбонаты. Они имеют сильный
металлический блеск и высокую электропроводность.
2.3 Галоиды
Название галоиды происходит от греческого слова «галос» - море. Это
соли галогено-водородных кислот HCl, реже HBr и HJ. Хлориды
преимущественно относятся к химическим осадкам морей и озер, фториды
являются минералами, как правило, эндогенного происхождения.
Галит (NaCl, каменная соль). Кристаллизуется в кубической сингонии в
форме кубиков или в виде кристаллически-зернистых корок или сплошных
масс – пластов и штоков в осадочных породах. Цвет белый, бесцветный, с
примесями может быть серый, бурый, желтый, красный, синий. Блеск
стеклянный, прозрачный. Твердость 2-2,5, плотность 2,1-2,2, вкус соленый
(поваренная соль). Используется в пищевой промышленности и является
основным сырьем в химической промышленности для получения соляной
кислоты, соды, хлора, едкого натрия и т.д.
Сильвин (KCl, камень плодородия). Название получил в честь
голландского врача и химика Сильвия де Багги. Отличается от галита горько-
соленым жгучим вкусом. При испарении воды из рассолов выпадает одним
из последних, вследствие чего встречается в верхних частях соляных
залежей. Цвет белый, с примесями как у галита различный, содержит
бромистые и борные соединения. Твердость 2, плотность около 2. Блеск
стеклянный, спайность совершенная. Сильвин используется в сельском
хозяйстве как удобрение, применяется в стеколькой и мыловаренной
промышленности, а также в химической промышленности для получения
селитры и бертолетовой соли.
Карналлит (MgCl
2
·KCl·6H
2
O). Ромбический минерал, встречается в
зернистых массах, кристаллы крайне редки. В чистом виде бесцветен, но
обычно окрашен включениями тонко распыленной окиси железа в розовый,
10