Обломочные породы и их классификации

К этим классам относятся всем хорошо знакомые сыпучие по­роды — песок, щебень, галечник, гравий; сцементированные по­роды, среди которых самым известным является песчаник, а также глинистые породы — глина, суглинки, супеси.

Названные породы сильно отличаются друг от друга по составу и свойствам, но в природе переход от обломочных пород к гли­нистым очень постепенный, с большим количеством смешанных разностей, что задает необходимость рассмотрения данных классов в рамках одного раздела.

Классификация

В разделе рассматривается пять классов по­род — крупнообломочные, песчаные, мелкообломочные, глинис­тые и смешанные. Для краткости условимся называть их всех вмес­те обломочными и глинистыми. Как можно видеть, все они класси­фицируются по размеру, форме обломков, цементации и связности.

Осадочные обломочные, глинистые и смешанные породы

Структура и размер частиц, мм	Название породы
	Текстура
	Несцементированная		Сцементированная		Связная
	Угловатые обломки	Округлые обломки	Угловатые обломки	Округлые обломки
1. Крупно­обломочные: более 1000	Неока- танные глыбы	Глыбы	Глыбовая брекчия	Глыбо­вый кон­гломерат
200-1000	Неока- танные валуны (камни)	Валуны	Валунная брекчия	Валун­ный кон­гломерат
10-200	Щебень	Галечник	Бре^ия	Конгло­ мерат
2-10	Дресва (мелкий щебень)	Гравий	Мелкая брекчия	Гравелит
2. Среднеобло­мочная — песча­ная (0,05-2): 1-2	Пески (по преоб­ладающей фрак­ции): гравелистый (грубый)		Песчаники (по пре­обладающей фрак­ции): гравелистый (грубый)
0,5-1	крупный		крупный
0,25-0,5	средний		средний
0,1-0,25	мелкий		мелкий
0,05-0,1	пылеватый (тонкий)		пылеватый (тонкий)
3. Мелкообломоч­ная — пылеватая: 0,002...0,05	Алеврит		Алевролит		Лёсс
4. Микрозернис- тая — глинистая: менее 0,002 (0,005)	Глина		Аргиллит		Глина
5. Смешанная	Песок пылевато-гли- нистый со щебнем и гравием, галечник с песчаным гравий­ным заполнителем и др.		Конгломерат песча­нистый, гравелит песчанистый и др.		Глина, сугли­нок, супесь

Состав

Эти породы состоят из продуктов механического и хи­мического разрушения и преобразования других пород на поверх­ности земли. В подавляющем большинстве случаев они являются почвообразующим материалом, на них осуществляется большая часть строительства и прочего природообустройства, их чаще других называют словом «грунт».

В составе обломочных и глинистых пород выделяется три ос­новные составные части — обломки, цемент и глинистый материал.

Обломочный материал

Обломочный материал — главная составная часть обломочных пород — каменный материал в составе глыб, валунов, гальки, гравия, щебня, песчинки, образующие песок, кварцевая мине­ральная пыль. Все это может быть представлено различными скаль­ными или полускальными породами, и название исходной породы может быть только упомянуто — щебень гранитный, галечник из­вестняковый, песок кварцевый. Булыжник, бут, голыш, брус­чатка — естественный или специально обработанный и подоб­ранный камень размером в десятки сантиметров, применяемый в строительстве для мощения дорог и кладки фундамента.

По форме выделяют два основных типа обломков — угловатые и округлые, также существует несколько переходных типов между ними.

Каменные обломки различной формы

а — угловатые; б — округлые (окатанные); в — полуокатанные

Широко распространенную морену принято называть щеб­нистым суглинком, в то время как имеющиеся в ней каменные включения скорее ближе к округлой гальке, чем к угловатому щебню.

Обломки угловатой формы. Они образуются при выветри­вании и отламывании кусков от коренной монолитной породы. В природе данный процесс интенсивнее всего развит на склонах; образующиеся в результате него обломки скапливаются у подножья склонов, образуя каменные осыпи. При горизонтальном рельефе угловатые обломки остаются на своем месте, и процесс выветри­вания быстро затухает с глубиной. Так образуются коры выветри­вания.

Угловатые обломки в составе коры выветривания и каменной осыпи

Породы осыпей и кор выветривания в зависимости от размеров обломков называют глыбами, щебнем, дресвой, хрящом. Они могут служить строительным материалом в местах своего распростра­нения, хотя реально используемые в строительстве щебень, глыбы и т.п. значительно чаще являются искусственно дроблеными кам­нями, добываемыми в карьерах при помощи взрывов. На их основе можно получить более прочные материалы для строительства, чем при использовании выветрелого и трещиноватого естественного камня, тем более что большинство населения России проживает на равнинных .территориях, где эти осыпи и коры выветривания практически отсутствуют.

Округлые (окатанные) обломки приобретают такую форму в результате обработки водой (морским прибоем, реками, водно­ледниковыми потоками), реже — ветром. Из угловатых глыб обра­зуются валуны, из щебня — галька, из дресвы (мелкого щебня) — гравий. Чем мельче обломки, тем чаще они бывают округлыми. Например, пески с угловатыми обломками в природе встречаются, но крайне редко. Пылеватая фракция — кварцевые обломки раз­мером 0,002—0,05 мм всегда округлые. Из-за мелких размеров они начинают демонстрировать коллоидные свойства — легко слипаются между собой, а будучи взмученными, медленно оседают в воде.

Цемент

Некоторые породы в природе напоминают по своему сложению такие известные искусственные материалы, как отвер­девший цементный раствор или бетон, тем, что состоят из камен­ных обломков, скрепленных между собой цементом. Не исклю­чено, что идея создания бетона была заимствована людьми в при­роде. Природный цемент сходен по составу с некоторыми химическими осадочными породами. Он бывает карбонатным, кремнистым, сульфатным, железистым и глинистым — тогда его называют глинистым заполнителем. Карбонатный цемент сходен по составу с химическим известняком и определяется по реакции с кислотой. Кремнистый — наиболее прочный и твердый из цемен­тов, иногда он имеет жирный блеск, с кислотой не реагирует. Суль­фатный — не прочен, он царапается ногтем, изредка на нем видны сахаровидные кристаллы. Железистый цемент узнается по ржавому цвету. Глинистый цемент царапается ногтем, размокает в воде.

Образование цемента возможно двумя путями:

• в морских условиях при одновременной аккумуляции хими­ческого осадка вместе с обломками;
• за счет выпадения в осадок химического материала из под­земных вод внутри обломочной толщи после ее накопления.

Породы с различными типами цемента

а — базальный цемент; б — поровый цемент; в — контактовый

Глинистые минералы

В крупнообломочных породах гли­нистые минералы могут играть роль заполнителя между каменными частицами и фактически являться цементом. При смешении гли­нистых минералов с песчаным и мелкообломочным материалом образуются так называемые глинистые породы — суглинки, супеси и природные глины. Глинистые минералы приобретают при этом роль главного компонента, придавая всей смеси свойства гли­нистых пород, главные из которых — влагоемкость, водонепрони­цаемость и связность — способность делаться пластичной при ув­лажнении и твердой при высыхании.

Структура, гранулометрический и минеральный состав

Эти харак­теристики тесно связаны между собой. Структура материала опре­деляется в зависимости от размеров частиц. Частицы определенного размера принято называть фракциями. Границы фракций взяты по ГОСТ 25100—2011 «Грунты», они с очень небольшими измене­ниями повторяют границы, принятые в геологической литературе, отличаются лишь названия фракций; геологические даны в скобках.

Структуры и примерный состав обломочных, глинистых и смешанных пород

Структура и фракция — размер частиц [20]	Примерный состав
1. Крупнообломочная (псефиты) — крупнее 2 мм	Обломки любых скальных пород
2. Среднеобломочная — песчаная (псаммиты) — 0,05-2 мм	Преобладает кварц, может присут­ствовать полевой шпат, прочих минералов совсем мало
3. Мелкообломочная — пылеватая (алевриты) — 0,002-0,05 мм	Кварц — практически вся фракция
4. Микрозернистая — глинистая (пелиты) — менее 0,002 мм (менее 0,005 мм)	Каолинит, монтмориллонит, глау­конит и другие глинистые мине­ралы, кварц, лимонит
5. Смешанная — обломочно-пес­чаная, песчано-глинистая и др.	Различные смеси частиц 1—4-й фракций

Известна, что чем мельче раздроблен материал, тем быстрее он растворяется и вступает в химические реакции. Поэтому среди об­ломков крупного размера (глыб, валунов, щебня, гальки) встреча­ются почти все породы за исключением наиболее растворимых — гипса, ангидрита, каменной и других солей. Среди обломков средних размеров встречаются в основном кварц — самый устой­чивый к выветриванию минерал, реже полевой шпат, еще реже другие минералы. Среднеобломочные породы — это пески.

Среди мелкообломочных (пылеватых) частиц почти не встреча­ются другие минералы, кроме кварца. Породы — лёсс, алеврит, алевролит.

Микрозернистые породы сложены каолинитом, монтморилло­нитом, гидрослюдами и другими глинистыми минералами. По­роды — чистые глины.

Смешанные породы — чаще всего смесь песчаной, пылеватой и глинистой фракции — это глины, суглинки и супеси. Широко используются термины «песчано-глинистые» и «глинистые по­роды», употребляемые как синонимы.

Процентное весовое содержание частиц различных фракций на­зывается гранулометрическим составом (грансоставом). Для его определения образец грунта пропускается через набор сит с даль­нейшим взвешиванием каждой фракции. Далее по небольшому на­бору правил породе дается формально правильное название. Это относится к несцементированным крупнообло­мочным, песчаным и отчасти некоторым глинистым породам, о чем речь пойдет ниже.

Подразделение крупнообломочных и песчаных грунтов

Разновидности крупнообломочных грунтов и песков	Размер частиц, мм	Содержание частиц, % по массе
Крупнообломочные:
валунный (глыбовый)	>200	> 50
галечниковый (щебнистый)	> 10	> 50
гравийный (дресвяный)	> 2	> 50
Пески:
гравелистый	>2	>25
крупный	>0,50	> 50
средней крупности	>0,25	> 50
мелкий	> 0,10	<75
пылеватый	>0,10	< 75

Правильное присвоение названия песчаным и глинистым грунтам — важная задача геологии и грунтоведения. От типа грунта (фактически от наименования) зависят различные табличные зна­чения параметров, входящих в расчеты оснований, что важно для проектировщиков. Поэтому грансостав наряду с другими лабора­торными свойствами грунтов является одним из важнейших пока­зателей свойств и в массовом порядке определяется при прове­дении изысканий.

Как можно видеть, все начинается в горных условиях с выветри­вания, обвалов и осыпания угловатых каменных обломков — так образуются природные глыбы и щебень. В процессе выветривания (химического) образуются также глинистые минералы, которые легко уносятся водой, а если разрушаются очень распространенные в природе граниты и гнейсы, то образуется также обломочный кварц с частицами песчаного и пылеватого размера.

Схема образования обломочных пород

За счет силы тяжести, склоновых процессов, временных водных потоков и рек угловатый обломочный материал попадает на мор­ское побережье. Здесь к нему добавляется материал, образующийся за счет разрушения берега волнами. В зоне прибоя каменный мате­риал дополнительно дробится, обломки округляются, образуются валуны, галечник, гравий, песок и кварцевая пыль — материал алев­ритов. Часть материала растворяется. Волнением и морскими тече­ниями осадки относит на большую глубину, где, возможно, проис­ходят цементадия и превращение в сцементированные аналоги — конгломераты, гравелиты, песчаники, алевролиты.

Аналогичные процессы в меньших масштабах могут происхо­дить за счет геологической работы горных рек, ледников и водно­ледниковых потоков. Если отсутствует фаза округления, то при це­ментации угловатого материала могут возникать осадочные брекчии.

Тектонические брекчии образуются в зонах тектонических нару­шений. Обломочный материал получается при перемещении тек­тонических блоков вдоль плоскостей разломов, а цементация — за счет выделения химического осадка из подземных вод, легко циркулирующих по раздробленной зоне.