Курсовая работа: Глинистые горные породы
Наличие железистых
примесей (оксидов и гидроксидов железа, лимонит, пирит, сидерит) придает
обжигаемым изделиям в зависимости от их количества цвет от светлокремового до
красно-бурого. Глины с повышенным содержанием красящих оксидов железа могут
слуюить природными пигментами: до 25% гидроксида железа – желтая охра, до 40%
оксида железа -красная охра, до 60% оксида железа – яркокрасный сурик и др. В
определенных количествах железистые соединения повышают количество керамических
изделий, а также указывают на способность глин к вспучиванию.
Включения пирита и гипса
являются причиной появления на поверхности готовых изделий зеленоватых выцветов
и выплавов.
Наличие сульфатов
вызывает после обжига появление на поверхности изделий высолов.
Карбонатные примеси
(кальцит, доломит) понижают огнеупорность глин, сокращают интервал спекания,
повышают пористость и понижают прочность готовых изделий. Тонкодисперсные
примеси карбонатных пород практически не оказывает влияние на качество стеновой
керамики, но очень вредны для производства изделий с плотным черепком –
напольных плиток, канализационных труб, дорожного кирпича. Крупные же включения
(более 1 мм) переходят при обжиге сырца в известь, которая гидратируется,
поглощая водяные пары из воздуха или при увлажнении изделий в службе, резким
увеличением объема, приводящим к появлению локальных вздутий («дутиков») либо полному
разрушению изделий.
Оксид кальция в виде СаС03
также понижает температуру плавления, изменяет окраску обжигаемых изделий,
придавая им желтый или розовый цвет, повышает пористость, снижает прочность и
морозостойкость изделий.
Оксиды щелочных металлов
являются сильными плавнями. Они понижают температуру обжига, повышают плотность
и пористость изделий, ослабляют красящие свойства оксида железа.
Органические примеси
(п.п.п.) в виде остатков растений и гумусовых кислот окрашивают изделия в
темные тона, повышают пластичность за счет большого количества связанной воды
и, следовательно воздушную осадку. С увеличением их содержания возрастает
пористость, тем самым снижая механическую прочность изделий. Они полезны при
получении стеновой керамики, но нежелательны в производстве напольных плиток,
особенно бе-ложгущихся.
Минеральный состав глин
отличается неоднородностью, однако в нем всегда преобладают глинистые вещества.
В составе глинистого сырья в виде примесей встречаются зерна кварца, полевых
шпатов, слюды, оксиды и гидрооксиды железа и марганца, а также органические
вещества, растительные и животные остатки. В глинистом веществе может
содержаться в большом количестве один или несколько минералов. Исходя из этого,
глины подразделяют на мономинеральные, когда глинистое вещество состоит
преимущественно из одного минерала, и полиминеральные, когда глинистое вещество
состоит из нескольких минералов.
Глинистые минералы
представляют собой водные алюмосиликаты
(xАl2О3 • ySiO2 • zH2O),
где х, y, z имеют различные значения.
К важнейшим глинистым
минералам относятся: каолинит — Аl2О3 • 2SiO2 • 2Н2О, монтмориллонит — (Са, Mg)O • Аl2О3 • 4 — 5SiO2 • xН2О,
гидрослюда (иллит) — К2О • MgO • 4Аl2О3 • 7SiO2 • 2Н2О и др.
Мономинеральные глины,
состоящие преимущественно из каолинита или минералов каолинитовой группы,
называют каолином. Каолин отличается от других глин высоким содержанием
глинозема Аl2О3, меньшей пластичностью и обладает
свойством придавать повышенную белизну обожженному керамическому материалу.
5. Структуры и текстуры глинистых горных пород
Структуры и текстуры
глинистых пород
Под структурой глин
подразумевают распределение компонентов породы по гранулярному составу, форму
частиц, их пространственную ориентировку по отношению друг к другу и силы
сцепления, соединяющие их вместе.
Различают структуры в
сечении, перпендикулярном к наслоению, и структуры в сечении, параллельном
наслоению.
Структуры в сечении,
перпендикулярном к наслоению, разделяются на:
1)гемогенные, если
напластование или слоистость не выражены;
2)ориентированные, если
слоистые силикаты имеют отчетливую ориентировку, возникшую при
осадконакоплении, диагенезе и т.д.
3)слоистые, если порода
состоит из чередующихся слойков;
4)циклические, если в
породе наблюдается ритмическое чередование, например, в ленточных глинах, в
ленточных мергелях и целом ряде других осадков.
5)Микролинзовидные, если
цикличность настолько локализована, что слойки кажутся залегающими несогласно
даже в масштабе образца или шлифа.
Структуры в сечении,
параллельном слоистости, подразделяются на:
1)кристаллические, если
основная масса составлена хорошо индивидуализированными чешуйками;
2)скрытокристаллические,
если кристаллическое строение различимо с трудом по присутствию слабо
преломляющих участков скрытокристаллические, или аморфные, если глинистое
вещество кажется изотропным. Глинистая масса имеет кристаллическое строение, а
впечатление изотропности обусловлено компенсацией, возникающей при наложении
друг на друга мелких кристаллических частиц.
Среди
скрытокристаллических структур можно выделить следующие разновидности:
а) трещиноватые,
сетчатые, обусловленные ориентированным расположением минералов по стенкам
трещин;
б) петельчастые и
хлопьевидные. Петельчатая структура характеризуется спутанноволокнистым
сложением, напоминающем строение микроскопических волокон антигорита;
хлопьевидная – присутствием округлых участков, окаймленных более высоко
двупреломляющем материалом (либо слоистыми силикатами, либо кристаллами
кальцита);
в) струйчатые,
флюидальные, муаровые, обусловленные различными оптическими эффектами.
Структуры глинистых
компонентов в цементе песчаных пород. Глинистая фракция пород представляет
существенный интерес даже в тех случаях, когда присутствует в породе в
подчиненном количестве или в виде незначительной примеси. Если глинистые
минералы остаются неизменными среди изменяющейся основной массы породы, по ним
можно судить о ранних этапах эволюции породы. И наоборот, если преобразуются
глинистые минералы, а основная масса породы остается неизменной, по ним можно
судить о недавних этапах эволюции породы.
Возникает проблема
глинистых цементов, для которых тщательно разработана классификация структур
глинистых цементов песчаников. Они подразделены на микроагрегатные, чешуйчатые,
пленочные, крустификационные, вермикулитоподобные, лепидобластовые,
сноповидные. В песках и песчаниках возникают новообразования глинистых
минералов или слюидистых силикатов, составляющих существенную часть породы.
Слоистые силикаты
участвуют в формировании оолитов и конкреционных структур. К этой категории
близки также железные руды или породы с железистыми оолитами: изучение эволюции
слоистых силикатов типа шамозитов и хлорита позволяет восстановить условия
раннего и позднего диагенеза этих пород.
Особенностью некоторых
глин является их пеллетовая текстура. Пеллеты представляют собой небольшие,
округлые агрегаты глинистых минералов и мелкого кварца, рассеянные в матриксе,
представленном тем же материалом. По размерам пеллеты составляют в диаметре
0,1-1,3мм, а в некоторых случаях достигают нескольких миллиметров(в длину). Их
образование приписывают действию течения воды.
В некоторых глинистых
породах осадочного происхождения проявляются реликтовые структуры,
унаследованные от материнских пород, из которых они образовались. Примерами
являются сапролиты, которые произошли от различных грубых вулканических и
метаморфических пород. В этих породах достаточно хорошо сохранились « РЕЛИКТЫ»
первичных минералов, поэтому можно проследить первоначальную гнейсовую
сланцеватость, порфиробласты.
Другим примером реликтовой
структуры являются бентониты и близкие к ним осадки, образующиеся in situ при
преобразовании вулканического пепла. Нереликтовые структуры включают оолитовые
и пизолитовые формы, возникающие в некоторых бокситовых и диаспоровых глинах.
Известны также псевдоморфные замещения ракушечного материала монтмориллонитом и
диагенетически перекристаллизованные структуры, подобные «метакристаллам»
иллитовой слюды в тонкозернистой иллитовой основной массе. Большинство
глинистых сланцев, однако, не проявляет ни одной из этих особенностей; они либо
бесструктурны, либо слоисты/
Тонкослойные сланцы
характеризуются ориентированными пластинчатыми слюдистыми компонентами,
параллельными плоскости напластования, что хорошо видно под микроскопом. Хотя
отдельные кристаллы располагаются не строго параллельно к плоскости
напластования, шлифы, приготовленные перпендикулярно к этой плоскости,
проявляют эффект одновременного погасания, как и в случае если бы шлиф был
сделан из единого кристалла. В пластинчатых минералах световые колебания
медленнее и параллельны спайности, поэтому проявляется параллельное погасание –
эффект агрегатного погасания.
Однако в некоторых глинах
и сланцах глинистые минералы проявляют беспорядочную ориентировку. Подобное
явление может быть результатом аутигенной кристаллизации на месте. В других
случаях подобное явление вызывается нарушением первичной структуры иллоядными
донными организмами.
Свежеотложенные илы имеют
чрезвычайно высокую водонасыщенность и очень большую пористость. Первоначальная
пористость может составлять 70-80%. Поскольку в среднем в глинистых сланцах
пористость составляет только 13%, то это означает, что первичные отложения были
сильно уплотнены и обезвожены. Тот факт, уменьшение пористости происходит
скорее за счет уплотнения, а не выполнения пор (как у песчаников),
подтверждается постепенными изменениями структуры, которые направлены на то,
чтобы ориентировать глинистые пластинки параллельно друг к другу и плоскости
напластования.
6. Общие свойства
Свойства глин
целиком зависят от их химического и минерального состава, а также от величины
составляющих их частиц. Уже одни эти. факты указывают нам на важнейшие свойства
глин.
Важнейшими
свойствами глин являются:
1)
способность в смеси с водой образовывать тонкие «взвеси» (мутные лужи) и вязкое
тесто;
2)
способность набухать в воде;
3)
пластичность глиняного теста, т. е. способность его принимать и сохранять любую
форму в сыром виде;
4)
способность сохранять эту форму и после "высыхания с уменьшением объема;
5) клейкость;
6) связующая
способность;
7)
водоупорность, т. е. способность после насыщения определенным количеством воды
не пропускать через себя воду.
Глины могут
быть всех цветов - от белого до черного. На Украине и в некоторых других
районах белая глина служит материалом для побелки стен, печей и т. д. Когда
хотят покрасить стены в цветные тона, берут желтые, красные, зеленые и другие
глины. Таким образом, здесь мы имеем дело с новым свойством глины - с красящей
и кроющей ее способностью.
7. Физические свойства.
Большое разнообразие условий
образования и степени литификации глинистых пород обусловливает значительный
диапазон изменения их свойств. Среди физических свойств наименее изменчивы
показатели плотности глинистых пород. Они варьируют от 2,50 до 2,85 г/см3.
Примесь органических веществ понижает плотность глин, так как для гумуса она
равна 1,25—1,40 г/см3. У минеральных монтмориллонитовых глин ее величина также
низкая — до 2,25 г/см³.
Значения пористости варьируют от
25—30 до 60%; подавляющая часть пор является открытой, доступной для жидкой
компоненты.
Наибольшей плотностью, как правило,
обладают древние глины, залегающие на значительных глубинах и испытавшие
сильное уплотнение. К этой категории относятся большая часть палеозойских,
мезозойских, некоторые эоценовые и палеогеновые глины. Высокую уплотненность,
независимо от возраста, имеют глинистые образования горно-складчатых районов,
такие, как апшеронские глины Закавказья, олигоценовые глины Западного Кавказа.
Среди континентальных четвертичных отложений наибольшую
уплотненность имеют ледниковые глинистые залегания. Наименьшими показателями
уплотнения характеризуются четвертичные озерные, озерно-ледниковые,
аллювиальные и делювиальные глинистые образования.
С плотностью и пористостью глинистых пород
тесно связана их водопроницаемость. Большая часть глин и суглинков относится к
слабопроницаемым или практически водонепроницаемым породам. Значения
коэффициента фильтрации для них изменяется от 10-3 до 10-5
м/сут. Это объясняется наличием у глин и суглинков ультракапиллярных пор, полностью
занятых связанной водой. Фильтрация через такие поры возможна только при
превышении начального градиента.
Важной особенностью глинистых пород
является их способность вступать в обменные реакции, приводящая к изменению их
состава, строения и свойств. Обменная способность глин часто используется в
практических целях, например в химической промышленности, а также при
целенаправленном изменении их свойств, таких, как водопроницаемость, липкость и
др. Глинистые породы благодаря
особенностям гранулометрического и химико-минерального состава проявляют четко
выраженные физико-химические свойства. Так, многие глинистые породы при их
увлажнении набухают, а при высушивании дают усадку, что сопровождается
изменением объема от нескольких до 25—30%, а в некоторых случаях и больше.
Развиваемое при этом давление набухания может достигать 1,0—1,5 МПа. При
определенных условиях глинистые породы обладают липкостью, величина которой
может достигать 5—6 Н/см².
Среди различных типов глин наиболее
гидрофильными, а следовательно, и более склонными к проявлению названных
свойств являются глины и тяжелые глины, содержащие значительное количество
набухающих глинистых минералов (монтмориллонита, смешаннослойных) и
органического вещества. Присутствие солей, а также слабогидрофильных глинистых минералов
(типа каолинита) приводит к снижению показателей этих свойств. Наибольшая
обменная способность, пластичность, набухание, усадка, липкость у высокопористых озерных глин, глин старичной фации аллювия,
богатых органикой, у многих озерно-ледниковых и элювиальных глин, а также у лагунных
и морских глин, лишенных солей. Наименее гидрофильны супеси и суглинки
ледникового и аллювиального (пойменная фация) происхождения. Набухание, усадка и липкость глин помимо дисперсности и химико-минерального
состава зависят от их степени уплотнения и прочности структурных связей.
Наибольшим набуханием обладают высокогидрофильные, умеренно уплотненные глины с
коагуляционным и переходным типом структурных связей. Таковыми являются,
например морские отложения юры Русской платформы,
некоторые разности сарматских глин Предкавказья и др.
Слаболитифицированные, высокопористые
и, наоборот, сильнолитифицированные глины с переходным типом структурных связей
обладают низкими показателями набухания. У первых это объясняется высокой
пористостью и влажностью, а у вторых — наличием прочных структурных связей,
препятствующих набуханию. К таким глинам относятся
современные отложения морей и озер, многие
четвертичные образования морского, озерного, водно-ледникового и аллювиального
генезиса, а также глины древних комплексов — девона, карбона и перми.
Глинистые породы обладают различной
деформируемостью и прочностью. Коэффициент их сжимаемости изменяется от единиц
(у слаболитифицированных глин) до тысячных долей МПа"1 (у сильнолитифицированных
глин). Модуль общей деформации варьирует от нескольких до 50—60 МПа. Угол внутреннего
трения и сцепления изменяется соответственно от 5—10° и 0,01 — 0,05 МПа до 20-36° и 0,12-0,6 МПа. Столь широкий диапазон
изменения механических свойств глинистых пород объясняется их различным
составом, уплотненностью, влажностью и др. Среди многочисленных факторов,
влияющих на прочностное и деформационное поведение глин, важнейшим является характер
структурных связей. Глинистые породы с коагуляционным типом структурных связей характеризуются
наибольшей сжимаемостью. График сжимаемости таких глин имеет вид
экспоненциальной кривой, наклон которой к оси абсцисс постепенно уменьшается,
вследствие чего коэффициент их сжимаемости постепенно снижается по мере уплотнения
от 1 до 0,1 МПа-1, а модуль общей деформации соответственно
возрастает от 1 до 10 МПа. В условиях быстрого
неконсолидированного сдвига такие глины дают криволинейную зависимость т = /
(а) . Значения (р и С при этом являются небольшими и, как правило, не превышают
5—15° и 0,05 МПа. При проведении опытов в условиях медленного
консолидированного сдвига зависимость т =/(ст) приближается к прямолинейной, а значение С возрастает. Характер
деформирования при сдвиге — вязкопластичный,
остаточная прочность несущественно отличается
от пиковой. Подобными прочностными и деформационными свойствами обладают
современные и четвертичные глины и суглинки континентального, лагунного и
морского происхождения со слабой и средней степенью уплотнения, высоким
водонасыщением, мягкопластичной и пластичной консистенцией.
Глинистые породы с переходным типом
структуры характеризуются значительно меньшей сжимаемостью: значение
коэффициента сжимаемости составляет сотые доли МПа, а модуль деформации — 15—50
МПа. Зависимость сдвигающего усилия от нормальной нагрузки имеет прямолинейный
характер как для консолидированного, так и неконсолидированного сдвига.
Разрушение при сдвиге хрупкое, остаточная прочность намного ниже пиковой. Угол внутреннего
трения изменяется в пределах 18—32°, сцепление — 0,1—0,4 МПа.
Наиболее часто глинистые породы с
переходным типом контактов встречаются среди пород морского, лагунного и
ледникового происхождения с высокой степенью уплотнения и водонасыщения, а
также пород различного генезиса и степени уплотнения, находящихся в аридной
зоне и имеющих невысокую степень водонасыщения.
Указанными выше прочностными и
деформационными свойствами могут обладать породы различного возраста и
генезиса, испытавшие значительное уплотнение или частичную цементацию в ходе
литогенеза. Часто среди них встречаются недоуплотненные и переуплотненные глины.
Первые образуются за счет ранней цементации, а вторые — при разгрузке
литифицированных пород с сохранением у них части фазовых цементационных
контактов.
Таблица. Содержание тонкодисперсных
фракций в глинах
Группы глин |
Содержание частиц, %, размером
менее |
10 мкм |
1 мкм |
Высокодисперсные |
Свыше 85 |
Свыше 60 |
Среднедисперсные |
60...85 |
40...60 |
Низкодисперсные |
30...60 |
15...40 |
Грубодисперсные |
Менее 30 |
Менее 15 |
8. Минеральный состав
Минеральный состав глин
отличается неоднородностью, однако в нем всегда преобладают глинистые вещества.
В составе глинистого сырья в виде примесей встречаются зерна кварца, полевых
шпатов, слюды, оксиды и гидрооксиды железа и марганца, а также органические вещества,
растительные и животные остатки. В глинистом веществе может содержаться в
большом количестве один или несколько минералов. Исходя из этого, глины
подразделяют на мономинеральные, когда глинистое вещество состоит
преимущественно из одного минерала, и полиминеральные, когда глинистое вещество
состоит из нескольких минералов.
Глинистые минералы
представляют собой водные алюмосиликаты
(xАl2О3 • ySiO2 • zH2O),
где х, y, z имеют различные значения.
К важнейшим глинистым
минералам относятся: каолинит — Аl2О3 • 2SiO2 • 2Н2О, монтмориллонит — (Са, Mg)O • Аl2О3 • 4 — 5SiO2 • xН2О,
гидрослюда (иллит) — К2О • MgO • 4Аl2О3 • 7SiO2 • 2Н2О и др.
Мономинеральные глины,
состоящие преимущественно из каолинита или минералов каолинитовой группы,
называют каолином. Каолин отличается от других глин высоким содержанием
глинозема Аl2О3, меньшей пластичностью и обладает
свойством придавать повышенную белизну обожженному керамическому материалу.
Минералы,
содержащиеся в глинах |
Минералы,
загрязняющие глины |
Каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O)
Андалузит, дистен и силлиманит (Al2O3·SiO2)
Галлуазит (Al2O3·SiO2·H2O)
Гидраргиллит(Al2O3·3H2O)
Диаспор (Al2O3·H2O)
Корунд (Al2O3)
Монотермит (0,2[K2MgCa]0·Al2O3·2SiO2·1,5H2O)
Монтмориллонит (MgO·Al2O3·3SiO2·1,5H2O)
Мусковит (K2O·Al2O3·6SiO2·2H2O)
Наркит (Al2O3·SiO2·2H2O)
Пирофиллит (Al2O3·4SiO2·H2O)
|
Кварц(SiO2)
Гипс (CaSO4·2H2O)
Доломит (MgO·CaO·CO2)
Кальцит (CaO·CO2)
Глауконит (K2O·Fe2O3·4SiO2·10H2O)
Лимонит (Fe2O3·3H2O)
Магнетит (FeO·Fe2O3)
Марказит (FeS2)
Пирит (FeS2)
Рутил (TiO2)
Серпентин (3MgO·2SiO2·2H2O)
Сидерит (FeO·CO2)
|
9. Основные представители горной породы
Глина — тонкодисперсная
порода, состоящая из частиц размером менее 0,01 мм и содержащая около 30 % частиц размером меньше 0,002 мм. Вещественный состав: глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда), кварц, слюды, оксиды и
гидроксиды железа, алюминия, карбонаты, сульфаты, фосфаты, органическое
вещество. Большинство глин имеет полиминеральный состав, встречаются также
мономинеральные (каолиновые, монтмориллонитовые, бентонитовые) глины. Окраска
зависит от примесей: белая, желтая, красная, бурая, серая, черная. В сухом
состоянии имеет пелитовую структуру, землистую (порошковатую) текстуру. Во
влажном состоянии обладает свойствами липкости, пластичности, набухания,
размокания.
Практическое значение —
керамическое сырье, основа для производства огнеупорных изделий. Применяется
также в целлюлозной, парфюмерно-косметической и других видах промышленности.
Аргиллит — плотная,
твердая, камнеподобная порода, образующаяся в результате диагенеза глин.
Состоит из частиц размером менее 0,01 мм, Вещественный состав смешанный и ли гидрослюдистый. Окраска разнообразная - темных тонов черная. Структура
пелитовая. Текстура слоистая. Для аргиллитов характерна остроугольная,
тонкоплитчатая отдельность, часто с раковистым изломом. В отличие от
алевролитов — мылкие на ощупь при смачивании водой, не имеют шероховатой
поверхности.
Практическое значение —
сырье для изготовления огнеупорных изделий.
10. Список используемой литературы
1.Общий курс петрографии
О.Н.Белоусова В.В. Михина 1972 «НЕДРА»
2. Глинистые породы и их свойства
(Соколов В.Н. , 2000), «НАУКИ О ЗЕМЛЕ
3.Основы геологии (часть 1) В.А.Ермолов
Л.Н. Ларичев В.В. Мосейкин 2004год издательство МГГУ
|