Μαγματικά πετρώματα ή πυριγενή ή μαγματίτες Ιζηματογενή Πετρώματα Κρυσταλλοσχιστώδη/Μεταμορφωσιγενή Πετρώματα

Transcript

1 Κεφάλαιο 6 Πετρώματα Σύνοψη Μελετώνται οι συνθήκες γένεσης και οι κατηγορίες των πετρωμάτων. Ακολούθως εξετάζονται οι φυσικομηχανικές ιδιότητές τους και δίδονται δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα πετρωμάτων από τον Ελλαδικό χώρο. Προαπαιτούμενη γνώση Ανόργανη χημεία, ορυκτολογία, κρυσταλλογραφία, πετρολογία. Πέτρωμα είναι συσσωμάτωμα ή μάζα ενός ή περισσότερων κρυσταλλικών ή / και άμορφων ορυκτών που α- παντά ως αυτοτελές και ομοιόμορφο τμήμα της λιθόσφαιρας. Κρυσταλλικό ορυκτό είναι ένα στερεό σώμα με χημική σύσταση τελείως ορισμένη π.χ. χαλαζίας ή κυμαινόμενη σε στενά όρια π.χ. πλαγιόκλαστα, του οποίου τα άτομα βρίσκονται σε τρισδιάστατη περιοδική διάταξη. Αυτή η διάταξη που είναι στα περισσότερα ορυκτά διαφορετική στις διάφορες διευθύνσεις καλείται κρυσταλλική δομή του ορυκτού. Ένα κρυσταλλικό ορυκτό είναι μια ομοιογενής φάση, δηλαδή δεν διαχωρίζεται με μηχανικό τρόπο σε δύο η περισσότερες ουσίες που να εμφανίζουν διαφορετικές φυσικές ή χημικές ιδιότητες. Άμορφο ορυκτό είναι μια στερεή η υγρή ουσία χωρίς περιοδική διάταξη των ατόμων της, που απαντά στο φλοιό της γης. Παράδειγμα ο ορυκτός άνθρακας και το πετρέλαιο. Τα πετρώματα αποτελούνται είτε από ένα ορυκτό είδος όπως το μάρμαρο που αποτελείται από τον ασβεστίτη, είτε από πολλά είδη ορυκτών όπως ο γρανίτης ο οποίος αποτελείται από χαλαζία, άστριους και μαρμαρυγία. Γενικά στην πετρολογία διακρίνονται τρείς κατηγορίες πετρωμάτων: Μαγματικά πετρώματα ή πυριγενή ή μαγματίτες Ιζηματογενή Πετρώματα Κρυσταλλοσχιστώδη/Μεταμορφωσιγενή Πετρώματα 6.1. Μαγματικά ή πυριγενή πετρώματα Προέρχονται από τη στερεοποίηση (κρυστάλλωση) του μάγματος. Ονομάζονται επίσης πυριγενή ή μαγματίτες και διακρίνονται σε ηφαιστειακά, αν είναι προϊόντα της δράσης των ηφαιστείων και σε πλουτώνεια αν έχουν κρυσταλλωθεί σε μεγάλο βάθος εντός του φλοιού της γης. Μάγμα είναι το φυσικό τήγμα που βρίσκεται στο εσωτερικό της Γης. Έχει σύνθετη σύσταση από πτητικά συστατικά (H 2 O, H 2 S, S, CO 2, CO κ.λ.π.) και μη-πτητικά συστατικά τα οποία με τη μορφή οξειδίων είναι: Al 2 O 3, Fe 2 O 3, FeO, MgO, CaO, Ka 2 O, Na 2 O, TiO 2, MnO 2, P 2 O 5. Το μάγμα, λόγω των διαφόρων δυνάμεων που εξασκούνται σε αυτό, ανέρχεται προς την επιφάνεια της γης. Κατά την άνοδό του ψύχεται και ταυτόχρονα διαφοροποιείται και μέσω διαφόρων διεργασιών όπως η κλασματική κρυστάλλωση σχηματίζει διάφορα μαγματικά προϊόντα. Η κρυστάλλωση του μάγματος γίνεται αρχικά με τα οξείδια σιδήρου, μαγνησίου, ακολουθεί ο σχηματισμός των οξειδίων του ασβεστίου, αργιλίου, νατρίου, καλίου με το διοξείδιο του πυριτίου. Κατά κανόνα, στα βασικά μάγματα (με μικρότερο ποσοστό σε διοξείδιο του πυριτίου) η έναρξη της κρυστάλλωσης συντελείται σε υψηλότερη θερμοκρασία και στα όξινα σε χαμηλότερη. [31] Από τη μικροσκοπική εξέταση των μαγματικών πετρωμάτων και από παρατηρήσεις σε φυσικά τήγματα διαπιστώθηκε ότι τα διάφορα ορυκτά που προκύπτουν από την κρυστάλλωση του μάγματος δεν κρυσταλλώνονται όλα ταυτόχρονα και κάτω από την ίδια θερμοκρασία, αλλά υπάρχει ένα πλαίσιο θερμοκρασιών. Η σειρά της κρυστάλλωσης αυτής από το μάγμα στηρίζεται στις θερμοδυναμικές ισορροπίες που επικρατούν μεταξύ του τήγματος και των κρυστάλλων που σχηματίζονται. Αυτές οι διεργασίες κρυστάλλωσης μπορούν να αναπαραχθούν εργαστηριακά και να μελετηθούν με τα διαγράμματα ισορροπίας φάσεων. Στην αρχή, πραγματοποιείται η κρυστάλλωση του μάγματος έως τους 600 o C (ορθομαγματικό στάδιο) και σχηματίζονται τα μαγματικά πετρώματα. Αυτός είναι ένας νέος τύπος μάγματος το οποίο εισχωρεί σε ρωγμές και σχηματίζει φλέβες, τους πηγματίτες (πηγματικό στάδιο). Σε όλες αυτές τις διεργασίες, βασικό ρόλο στον σχηματισμό των ορυκτών παίζει η ιοντική ακτίνα και το φορτίο. Στην κρυστάλλωση έως 600 o C μικρά ιόντα με μεγάλο φορτίο συγκεντρώνονται στα πρώιμα ορυκτά ενώ μεγαλύτερα ιόντα με μικρό φορτίο στα μεταγενέστερα. 104

2 Στην κρυστάλλωση κάτω των 600 o C έως 500 o C (στο πηγματιτικό στάδιο), περιλαμβάνονται τα ιόντα που είναι ή πολύ μικρά ή πολύ μεγάλα για να εισέρθουν στο πυριτικό πλέγμα όπως Cu, Zn, φωσφορικά. Μετά τη θερμοκρασία της πηγματικής φάσης σχηματίζονται πνευματολυτικά ορυκτά/πετρώματα από 500 o C έως 374 o C (πνευματολυτικό στάδιο). Κάτω των 374 o C είναι το υδροθερμικό στάδιο, όπου γίνεται η απόθεση ορυκτών από θερμά ένυδρα διαλύματα (βλέπε Κεφάλαιο 6.3). Τα μαγματικά πετρώματα ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε SiO 2, χαρακτηρίζονται όξινα εάν η περιεκτικότητα σε SiO 2 είναι μεγαλύτερη του 65% και βασικά εάν είναι μικρότερη του 55%. Αυτά με περιεκτικότητα SiO 2 μεταξύ 55-65% χαρακτηρίζονται ενδιάμεσα. Είναι προφανές ότι τα όξινα μάγματα, δηλαδή τα πλούσια σε διοξείδιο του πυριτίου περιέχουν περισσότερες δομές τετραέδρων (SiO 4 ) 4- σε σχέση με τα βασικά. Η δομή των ατόμων στο μάγμα καθορίζεται από το ιξώδες, την κινητικότητα του μάγματος, το είδος της δράσης και τη μορφή των μαγματικών προϊόντων που θα σχηματιστούν σε αυτό. Μετρήσεις ιξώδους στα τήγματα με μεγάλη περιεκτικότητα σε διοξείδιο του πυριτίου έδειξαν ότι έχουν μεγαλύτερο ιξώδες σε σχέση με τα τήγματα με λιγότερο διοξείδιο του πυριτίου (βασαλτικά). Τα λεπτόρευστα μάγματα ευνοούν τον σχηματισμό μικρών κρυστάλλων. Σε υψηλή θερμοκρασία τα βασικά μάγματα είναι πολύ λεπτόρευστα ενώ τα πλούσια σε SiO 2 και Al 2 O 3 είναι πυκνόρευστα. Επιπλέον, το νερό που βρίσκεται διαλυμένο στο μάγμα αντιδρά με το οξυγόνο και σχηματίζει υδροξύλια. Τα υδροξύλια σπάζουν τις δομές των αλυσίδων Si-O και ελαττώνουν τον βαθμό πολυμερισμού και κατ επέκταση το ιξώδες. Συνεπώς, όσο περισσότερο νερό είναι διαλυμένο σε ένα μάγμα, τόσο περισσότερο μειώνεται το ιξώδες του. Τα μαγματικά ανάλογα με το βάθος που στερεοποιείται το μάγμα διακρίνονται σε Πλουτώνεια και σε Ηφαιστειακά πετρώματα Τα Πλουτώνεια πετρώματα έχουν στερεοποιηθεί σε σχετικά μεγάλο βάθος και είναι χονδρόκοκκα (φανεριτική δομή). Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο Γρανίτης. Στον Πίνακα 6.1 παρουσιάζεται η ταξινόμηση των σημαντικότερων πλουτωνείων πετρωμάτων από γρανίτη έως δουνίτη με βάση την ορυκτολογική τους σύσταση όπου παρατηρούνται στον γρανίτη οι υψηλές περιεκτικότητες του χαλαζία και των αστρίων (ορθόκλαστο, ολιγόκλαστο) και οι χαμηλές περιεκτικότητες των σκοτεινόχρωμων ορυκτών (βιοτίτη, αμφίβολου, μαγνητίτη). Αντιθέτως στον δουνίτη επικρατεί ο ολιβίνης (σκουρόχρωμο ορυκτό) κατά μέγιστο ποσοστό. Πίνακας 6.1 Κατά προσέγγιση ορυκτολογική σύσταση των κυριότερων μαγματικών πετρωμάτων. 105

3 Τα Ηφαιστειακά πετρώματα ή ηφαιστίτες είναι πυριγενή πετρώματα με δομή που περιέχουν συχνά ύαλο και τα οποία συνδέονται με ηφαιστειακή δράση. Απαντώνται στην επιφάνεια της γης ως ρεύματα λάβας ή έχουν διείσδυση ως μαγματικά σώματα. Χαρακτηριστικό πέτρωμα ο Βασάλτης στην ορυκτολογική σύσταση του οποίου συμμετέχουν κυρίως τα πλαγιόκλαστα και οι πυρόξενοι. Βασάλτες και Γρανίτες είναι δύο πετρώματα που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των μαγματικών πετρωμάτων. Σε σύγκριση με αυτά τα πετρώματα άλλα είδη μαγματιτών έχουν μόνο ένα μικρό ποσοστό συμμετοχής στη δομή του φλοιού Ιζηματογενή πετρώματα Τα ιζηματογενή προέρχονται από την καθίζηση υλικού που βρίσκεται σε διάλυση ή σε αιώρηση μέσα στο νερό ή άλλο ρευστό μέσο. Δημιουργούνται από διαδικασίες φυσικές, χημικές (εξαλλοίωση, αποσάθρωση, απόθεση) και βιοχημικές. Στις διαδικασίες αυτές προηγείται το στάδιο της αποσάρθρωσης των πετρωμάτων και της αποκομιδής του κλαστικού υλικού, ακολουθεί η μεταφορά του υλικού με διάφορους τρόπους, η απόθεση και τέλος η διαγένεση. Εξαλλοίωση είναι η χημική αποσάρθρωση των πετρωμάτων η οποία ευνοείται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας, το οξυγόνο του αέρα, το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα κ.λπ. Η αποσάρθρωση εξαρτάται από φυσικούς παράγοντες (νερό, άνεμος), χημικούς (αέρας, νερό) και βιοχημικούς (οργανική ύλη, ρίζες φυτών, ζωικούς οργανισμούς). Η απόθεση εξαρτάται από το ιοντικό δυναμικό ( Z / r όπου Z: φορτίο του ιόντος και r: ακτίνα του ιόντος), τις συνθήκες οξειδοαναγωγής και το ph. Το ιοντικό δυναμικό καθορίζει κατά πόσο το αντίστοιχο ιόν αποκτά βασικές ή όξινες ιδιότητες. Τα στοιχεία με μικρό ιοντικό δυναμικό, π.χ. K, Na, Ca, Mg έχουν μεγαλύτερη διαλυτότητα και για υψηλές τιμές ph παραμένουν εν διαλύσει κατά το στάδιο μεταφοράς. Στοιχεία με μέσο ιοντικό αριθμό όπως Al, Zn καθιζάνουν με υδρόλυση. Στοιχεία με υψηλό ιοντικό δυναμικό όπως P, N, C, S σχηματίζουν ευδιάλυτα οξυανιόντα. Διαγένεση είναι η μεταβολή ενός ψαθυρού πετρώματος σε συμπαγές. Σε αυτό συμβάλλει η πίεση των υπερκείμενων πετρωμάτων και έχει ως αποτέλεσμα τη συμπίεση, συγκόλληση, ανακρυστάλλωση, δολομιτίωση των υποκείμενων πετρωμάτων. Τα ιζηματογενή πετρώματα διακρίνονται, με κριτήριο το μηχανισμό δημιουργίας τους, σε κλαστικά, χημικά και οργανικά ιζήματα. 1_Κλαστικά: Σχηματίζονται από την αποσάρθρωση των πετρωμάτων λόγω φυσικών παραγόντων (π.χ. αέρας, νερό) και αποτελούνται από ανθεκτικά ορυκτά όπως ο χαλαζίας. Ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων ταξινομούνται: σε κροκάλες (d 20mm), χαλίκια (από 20 μέχρι 2mm), άμμος ( από 2 έως 0,02mm), ιλύς (από 0,02 έως 0,002mm) και άργιλος (d 0,002mm). 2_Χημικά: Η δημιουργία τους στηρίζεται στα φαινόμενα εξατμίσεων και κατακαθίσεων, ανάλογα με τη διαλυτότητά τους. π.χ. CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 3_Οργανικά: Δημιουργούνται όταν η καθίζηση γίνεται με ουσιαστική παρέμβαση και συμμετοχή οργανικής ύλης (π.χ. ρίζες). CaSO 4 + (NH 4 ) 2 CO 3 CaCO 3 + (NH 4 ) 2 SO 4 Λόγω της σήψης λειψάνων φυτών και ζώων τα διάφορα αμμωνιακά άλατα προκαλούν τη μετατροπή των θειϊκών αλάτων σε ανθρακικά. Τα πλέον γνωστά ιζηματογενή πετρώματα είναι ο ασβεστόλιθος και ο ψαμμίτης και στην Ελλάδα είναι ο ασβεστόλιθος και ο δολομίτης Ασβεστόλιθος Είναι ιζηματογενές πέτρωμα, αποτελείται από ασβεστίτη σε ποσοστό %. Όταν προέρχεται από κελύφη οργανισμών απαντάται υπό τη μορφή αραγωνίτη. Οι ασβεστόλιθοι είναι καθαρά χημικά ιζηματογενή πετρώματα ή βιογενή πετρώματα. Συνήθως είναι μεικτής προέλευσης. Ο Ασβεστόλιθος έχει κύριο συστατικό τον Ασβεστίτη και τα υπόλοιπα ορυκτολογικά συστατικά του είναι: Αργιλικά ορυκτά, Χαλαζίας (οι πυριτικοί α- σβεστόλιθοι είναι από 20-30% SiO 2 ), Αιματίτης (ο Σίδηρος δίνει κόκκινο έως κόκκινο χρώμα και όταν η ποσότητα είναι αυξημένη προκαλείται μείωση αντοχής του πετρώματος). Ανθρακούχες Ενώσεις (που προέρχονται από οργανικά λείψανα), Σιδηροπυρίτης, Οξείδια Μαγγανίου, Δολομίτης. 106

4 Τα ανωτέρω συστατικά δίδουν στον ασβεστόλιθο τεφρό ή κίτρινο ή καστανό ή πράσινο χρώμα. Ο καθαρός ασβεστόλιθος είναι λευκός. Μίγματα ασβεστολίθου και αργίλου καλούνται μάργες και έχουν ενδιάμεσες ιδιότητες των ασβεστολίθων και των αργίλων. Αναλόγως του ποσοστού και του είδους της αργίλου, οι ασβεστόλιθοι έχουν τάση διόγκωσης, η οποία οδηγεί σε ρηγματώσεις του ασβεστολίθου. Σημαντικές φυσικές ιδιότητες του ασβεστολίθου αναφέρονται ακολούθως: α) η διαπερατότητα είναι 0,1cm/s. β) η ελαστικότητα είναι 3x10 4 Mpa. γ) η θερμική αγωγιμότητα είναι 1,0W/m K. δ) η σκληρότητα είναι 3,5 Mohs. ε) το ειδικό βάρος είναι 2,7g/cm 3. στ) το πορώδες είναι 0,2-2,0% κ.ο.. ζ) η αντοχή σε θλίψη είναι Kp/cm 2. η) η υδροαπορροφητικότητα είναι 0,4% κ.ο.. Ο ασβεστόλιθος χρησιμοποιείται στην παρασκευή τσιμέντου ως πρώτη ύλη και ως πρόσθετο. Επίσης χρησιμοποιείται στην παραγωγή τούβλων και πλακακιών. Αποτελεί πρώτη ύλη για παρασκευή γυαλιού, χαρτιού, βαφών και χρωμάτων. Επίσης στην παραγωγή πλαστικών, ελαστικών και κεραμικών. Τέλος, αποτελεί την πρώτη ύλη για την παρασκευή οξειδίου του ασβεστίου και ασβέστη. Ο ασβεστόλιθος μπορεί να μετατραπεί σε καρστικό ασβεστόλιθο με την επίδραση του διοξειδίου του άνθρακα παρουσία υγρασίας. Το νερό σχηματίζει ανθρακικό οξύ, ο ασβεστόλιθος αποσαθρώνεται χημικά σχηματίζοντας κενά (έγκοιλα), σπήλαια με σταλακτίτες και σταλαγμίτες. Τα καρστικά πετρώματα είναι έντονα υδατοπερατά και η μη εντόπιση ύπαρξής τους δημιουργεί προβλήματα σε έργα, όπως για παράδειγμα λιμνοδεξαμενών, θεμελιώσεις τεχνικών έργων, διάνοιξη συράγγων Δολομίτης Ο δολομίτης είναι πέτρωμα που αποτελείται από το ομώνυμο ορυκτό δολομίτη MgCa(CO 3 ) 2. Ο δολομίτης σχηματίζεται από τους ασβεστόλιθους, με την απομάκρυνση μέρους του ασβεστίου από το πλέγμα του ασβεστίτη και την αντικατάσταση του με μαγνήσιο. Το τελευταίο περιέχεται στο θαλασσινό νερό. Το φαινόμενο αυτό όπου μεταβάλλεται η χημική σύσταση του πετρώματος, με την απομάκρυνση στοιχείων και την προσθήκη άλλων λέγεται μετασυσσωμάτωση. Ο σχηματισμός δολομίτη εμφανίζεται περισσότερο στους ασβεστόλιθους χωρίς στρώση, τους κοραλλιογενείς και γενικά τους ασβεστόλιθους υφαλώδους φάσης, σε σύγκριση με τους λεπτοστρωματώδεις ασβεστόλιθους. Ο δολομίτης αναβράζει ασθενέστερα σε ψυχρό και ζωηρά σε θερμό αραιό HCl (διάκριση από ασβεστόλιθο, ο οποίος αναβράζει σε αραιό ψυχρό HCl) και παρουσιάζει ασθενέστερα φαινόμενα καρστικής διάλυσης από ότι ο ασβεστόλιθος. Έχει σκληρότητα 4 στην κλίμακα Mohs και αντοχή σε θλίψη απο 800 έως 1800 Kp/cm 2. Εξαρτάται από τα ορυκτολογικά συστατικά, τον τρόπο σύνδεσης των κόκκων, τις αστοχίες, το πορώδες, την περιεκτικότητα σε νερό. Να σημειωθεί επιπλέον ότι ο δολομίτης χρησιμοποιείται ως πυρίμαχο τούβλο στην επένδυση των καμίνων, ως πρώτη ύλη για την παρασκευή τσιμέντου (με σαφώς καθορισμένα ποσοστά), ως πρόσθετο στα εδάφη για μείωση της οξύτητας. Επίσης, στην διατροφή μας ως συμπλήρωμα του ασβεστίου και του μαγνησίου και στη φαρμακευτική (π.χ. μαγνησία). Στο Σχήμα 6.1 δίδεται η κρυσταλλική δομή του δολομίτη. 107

5 Σχήμα 6.1 Κρυσταλλική δομή δολομίτη Κρυσταλλοσχιστώδη / Μεταμορφωσιγενή πετρώματα Τα μεταμορφωσιγενή προέρχονται από τη μεταμόρφωση των μαγματικών και ιζηματογενών πετρωμάτων δηλαδή προκύπτουν από άλλα προϋπάρχοντα πετρώματα μετά από ιστολογικές, ορυκτολογικές και χημικές μεταβολές τις οποίες υφίστανται χωρίς να περάσουν από το στάδιο της τήξης.οι παράγοντες που καθορίζουν το είδος και την ένταση της μεταμόρφωσης είναι κυρίως η πίεση, η θερμοκρασία, τα θερμά διαλύματα και αέρια. Οι μεταβολές αυτές γίνονται σε μεγάλα βάθη και έχουν μεγάλη χρονική διάρκεια. Χαρακτηριστικό των μεταμορφωσιγενών πετρωμάτων είναι η σχιστότητα, έχουν την ιδιότητα να αποχωρίζονται εύκολα σε πλάκες λόγω στρώσεως ή παραλλήλου ιστού, που έχει προκύψει από την επίδραση κατευθυνόμενης πίεσης πάνω στο πέτρωμα. Η πίεση μπορεί να είναι τεκτονική ή να οφείλεται στο βάρος των υπερκειμένων πετρωμάτων.ο σχισμός των ορυκτών (βλέπε υποκεφάλαιο 4.1) δεν πρέπει να συγχέεται με την σχιστότητα των πετρωμάτων. [32] Χαρακτηριστικά πετρώματα της κατηγορίας αυτής είναι τα μάρμαρα, οι κρυσταλλικοί ασβεστόλιθοι και οι αργιλικοί σχιστόλιθοι. Ταξινομούνται στις κάτωθι κατηγορίες: Κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα με αστρίους Κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα χωρίς αστρίους Ασβεστοπυριτικά κρυσταλλοσχιστώδη Ανθρακικά κρυσταλλοσχιστώδη Χαλαζιακά κρυσταλλοσχιστώδη Κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα με κορούνδιο (σμύριδα) Στο Σχήμα 6.2 δίδονται οι τρεις διεργασίες σχηματισμού των πετρωμάτων. Από την κρυστάλλωση του μάγματος δημιουργούνται τα πλουτώνεια και τα ηφαιστειογενή πετρώματα, με την διαγένεση γίνεται η μεταβολή του ψαθυρού πετρώματος σε συμπαγές και δημιουργούνται τα ιζηματογενή και με τη διεργασία της μεταμόρφωσης δημιουργούνται τα μεταμορφωσιγενή πετρώματα. Στο Πίνακα 6.2 δίδονται παραδείγματα των τριών κατηγοριών πετρωμάτων. 108

6 Σχήμα 6.2 Κυκλοφορία των υλικών στο εσωτερικό της γης. Πίνακας 6.2 Κατηγορίες Πετρωμάτων. 109

7 6.4. Φυσικές Μηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων Η μέλετη των φυσικομηχανικών χαρακτηριστικών των πετρωμάτων αποσκοπεί στην κατανόηση και εκτίμηση της συμπεριφοράς τους, στον καθορισμό της καταλληλότητας των πετρωμάτων ως δομικών λίθων, διακοσμητικών λίθων, αδρανών υλικών. Όλες οι ιδιότητες εξαρτώνται από τις αντίστοιχες ιδιότητες των ορυκτολογικών συστατικών τους, την κρυσταλλική δομή (μέγεθος και σχήμα κόκκων) και τη διάταξη του κρυσταλλικού πλέγματος. Παρακάτω αναφέρονται οι εξής φυσικές ιδιότητες: 1. Αντοχή Η αντοχή είναι πολύ βασική ιδιότητα και αντιπροσωπεύει το μέγεθος της εφαρμοζόμενης τάσης σε ένα δοκίμιο ώστε να σημειωθεί η θραύση αυτού. Η αντοχή ενός πετρώματος εξαρτάται από τα ορυκτολογικά συστατικά, τον τρόπο σύνδεσης των κόκκων, τις αστοχίες, το πορώδες, και τον βαθμό εξαλλοίωσης του. Σημειώνουμε ότι τα αδρανή υλικά που χρησιμοποιούνται σε έργα οδοποιίας πρέπει να είναι υγιή και με υψηλή αντοχή συνεπώς απαιτούνται μετρήσεις σε αντοχή, θλίψη και εφελκυσμό. Οι δομικοί λίθοι της οικοδομής, τα σκύρα του οδοστρώματος, τα αδρανή βάσης και υπόβασης δρόμων, υφίστανται επίδραση δυνάμεων/τάσεων με κίνδυνο θραύσης. Οι τάσεις είναι θλιπτικές (ελάττωση ό- γκου), διατμητικές (μετακίνηση τμήματος του υλικού σε σχέση με το υπόλοιπο) και εφελκυστικές (αύξηση όγκου με συνέπεια δημιουργίας ρωγμών, σχισμών). Έτσι, έχουμε στα πετρώματα, μετρήσεις σε αντοχή, θλίψη, διάτμηση και εφελκυσμό. 2. Ειδικό Βάρος Ορίζεται ως ο λόγος του βάρους του σε ξηρή κατάσταση, προς τον όγκο των στερεών συστατικών του, μη συμπεριλαμβανομένου του όγκου των πόρων του. Πρόκειται για το βάρος της στερεάς μάζας του, η οποία, χωρίς πόρους καταλαμβάνει τη μονάδα του όγκου. Το ειδικό βάρος ενός πετρώματος εξαρτάται από το ειδικό βάρος ενός εκάστου των ορυκτολογικών συστατικών που περιέχονται στο πέτρωμα και την ποσοστιαία αναλογία τους. 3. Φαινόμενο Βάρος Είναι το βάρος ενός πετρώματος σε ξηρή κατάσταση στη μονάδα του όγκου, συμπεριλαμβανομένων και των πόρων του. Στα συμπαγή πετρώματα, η διαφορά φαινόμενου βάρους και ειδικού βάρους είναι ασήμαντη, ενώ στα πετρώματα με αρκετό πορώδες είναι σημαντική. Παράδειγμα: η άμμος έχει ειδικό βάρος 2,65gr/cm 3 και φαινόμενο βάρος 1,60gr/cm 3 ενώ ο χαλαζίας έχει ειδικό βάρος 2,65gr/cm 3 και φαινόμενο βάρος 2,64gr/cm 3 4. Πορώδες Είναι το ποσοστό του όγκου των κενών χώρων προς το συνολικό όγκο του πετρώματος και εκφράζεται σε μονάδες επί %. Ενεργό ή ανοικτό πορώδες ονομάζεται το πορώδες που εκφράζει τον όγκο του συνόλου των κενών εκείνων που επιτρέπουν τη ροή του νερού υπό την επίδραση της βαρύτητας ή της υδροστατικής πίεσης. Αντίστοιχα υπάρχει και το κλειστό πορώδες. Έτσι, ένα μεγάλο πορώδες έχει σχετικά μεγάλο ποσοστό κενών χώρων, ανεξάρτητα του μεγέθους του. Η άμμος έχει πορώδες 35%, οι ψαμμίτες και οι άργιλοι έως 50%. Το πορώδες των πετρωμάτων έχει πολύ μεγάλη σημασία διότι η τιμή του επηρεάζει το μέτρο συμπιεστότητας, την υδατοπερατότητα και την αντοχή σε φθορά. Παράδειγμα: το μάρμαρο έχει πορώδες 0,4 έως 2,1% και ο ασβεστόλιθος από 1,1 έως 31%. 5. Διαπερατότητα (ή υδροπερατότητα) Είναι η ιδιότητα του πετρώματος, να επιτρέπει στο νερό ή άλλα υγρά, να περνούν μέσα από αυτό. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η άμμος και τα χαλίκια. Στα υδρογεωλογικά και γεωτεχνικά προβλήματα, μεγάλη σημασία έχει ο προσδιορισμός της διαπερατότητας σε νερό (νόμος Darcy). Αντίστοιχα τα πετρώματα που δεν επιτρέπουν στο νερό να κυκλοφορεί μέσα σ αυτά χαρακτηρίζονται Αδιαπέρατα (ή υδροστεγανά) και μπορεί να είναι πετρώματα πορώδη, όπως η άργιλος ή συμπαγή χωρίς πόρους όπως διάφορα μαγματικά πετρώματα. Αξίζει να αναφερθεί ότι πετρώματα με μικρό πορώδες έχουν μικρή διαπερατότητα. Εν τούτοις το υψηλό πορώδες δεν εξασφαλίζει την υψηλή διαπερατότητα γιατί αυτή εξαρτάται από το μέγεθος των κενών χώρων και την επικοινωνία που έχουν μεταξύ τους. Π.χ. στις αργίλους έχουμε πορώδες έως 50%, τα κενά ανάμεσα στα κοκκώδη συστατικά τους είναι πολύ μικρά, μικρότερα από 0,005mm, σαν τριχοειδείς σωλήνες. Το νερό που βρίσκεται μέσα σε αυτά τα κενά εγκλωβίζεται και δεν κινείται, γιατί αναπτύσσονται ισχυρές μοριακές τάσεις. Τα πετρώματα αυτά προσροφούν νερό και αυξάνεται ο όγκος τους, αλλά επειδή δεν κυκλοφορεί, συμπεριφέρονται σαν υδροστεγανά πετρώματα. 6. Ελαστικότητα Οι ελαστικές ιδιότητες εκφράζονται με το μέτρο ελαστικότητας (Ε) και τον λόγο Poisson. Όταν ένα φορτίο P, επενεργεί στην επάνω επιφάνεια ενός πρισματικού δείγματος πετρώματος και είναι μικρότερο από το φορτίο 110

8 θραύσης, προκαλεί παραμόρφωση η οποία εκφράζεται με σμίκρυνση του ύψους και αύξηση της οριζόντιας διάστασης. Εάν μετά την απομάκρυνση του φορτίου το δείγμα τείνει να επανακτήσει το αρχικό του σχήμα και μέγεθος, το πέτρωμα συμπεριφέρεται ελαστικά. Το μέτρο ελαστικότητας εκφράζει ανυσματική ιδιότητα που έχει σταθερή τιμή προς όλες τις διευθύνσεις μόνο στα μηχανικώς ισότροπα πετρώματα. Επειδή τα πετρώματα είναι ανισότροπα, το μέτρο ελαστικότητας παρουσιάζει διακυμάνσεις που εξαρτώνται από τις εφαρμοζόμενες τάσεις, από τον χρόνο και την ταχύτητα επιβολής των τάσεων, από την πίεση του νερού των πόρων, από τις διαστάσεις του δοκιμίου και από την θερμοκρασία. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή σε θλίψη, τόσο υψηλότερη είναι η τιμή του μέτρου ελαστικότητας, χωρίς να αποκλείεται η ύπαρξη εξαιρέσεων στον κανόνα. Αντίθετα οι τιμές του μέτρου ελαστικότητας (Ε) κάθε ομάδας πετρωμάτων ελαττώνονται όσο αυξάνεται το πορώδες. Επίσης, η περιεκτικότητα σε νερό ενός πετρώματος επηρεάζει την τιμή του μέτρου ελαστικότητας. Το μέτρο ελαστικότητας προσδιορίζεται εργαστηριακά και διαφέρει σημαντικά από το μέτρο ελαστικότητος της βραχόμαζας του πετρώματος που προσδιορίζεται με δοκιμές επί του εδάφους. Όταν κατά την εκτέλεση του πειράματος γίνονται μετρήσεις των πλευρικών παραμορφώσεων, τότε υπολογίζεται και ο λόγος Poisson που είναι ο λόγος πλευρικών παραμορφώσεων προς τις επιμήκεις παραμορφώσεις. 7. Συμπιεστότητα (compressibility) Κατά τη διάρκεια φόρτισης στα πετρώματα προκαλείται ελάττωση όγκου που οφείλεται σε ελάττωση όγκου των πόρων και απομάκρυνση από αυτούς, του τυχόν περιεχόμενου νερού. Όταν η ελάττωση αυτή του όγκου γίνεται με παρεμπόδιση των πλευρικών παραμορφώσεων το φαινόμενο καλείται συμπιεστότητα. Τα μαγματικά πετρώματα συμπιέζονται ελάχιστα. Στον Πίνακα 6.3 δίδονται οι φυσικομηχανικές ιδιότητες των κυριοτέρων πετρωμάτων. [33, 34] 111

9 Πίνακας 6.3 Φυσικομηχανικές ιδιότητες των πετρωμάτων Έδαφος Έδαφος ονομάζεται ο φυσικός σχηματισμός που δημιουργείται στην επιφάνεια της γης από τα προϊόντα αποσάρθρωσης των πετρωμάτων με την μακρόχρονη επίδραση των κλιματολογικών συνθηκών και την αποσύνθεση των οργανικών ουσιών. Το έδαφος έχει βάθος από 0 έως 15 μέτρα και αποτελείται από στερεή φάση (περιλαμβάνει τα ανόργανα και οργανικά συστατικά), το νερό και τον αέρα. Τα εδάφη χαρακτηρίζονται από τον τρόπο που δημιουργήθηκαν σε υπολειμματικά (residual), ιζηματογενή (sedimentary), αιολικά (aeolian και παγετώδη (glacial). Υπολειμματικά: Προέρχονται από την αποσάρθρωση των πετρωμάτων, είναι κοκκώδη υλικά (λεπτόκοκκα στις ανώτερες στρώσεις και χονδρόκοκκα στις κατώτερες στρώσεις). 112

10 Ιζηματογενή: Προέρχονται από την καθίζηση των στερεών σωματιδίων που υπήρχαν σε αιώρηση σε υδατικό περιβάλλον, όπως λίμνες, ποταμούς, ωκεανούς. Τα ιζηματογενή μπορεί να είναι από καθαρή άμμο έως άργιλο θαλασσίας προέλευσης. Αιολικά: Δημιουργήθηκαν από τη μεταφορά και εναπόθεση λεπτόκοκκων υλικών με την βοήθεια του ανέμου. Παγετώδη: Δημιουργήθηκαν από την εποχή των παγετώνων και αποτελούνται από κροκάλες, χαλίκια, άμμο, ιλύ και άργιλο. Συναντώνται στο βόρειο ημισφαίριο. Οι βασικές ομάδες των εδαφών ταξινομούνται σε συνάρτηση με το μέγεθος των κόκκων των ανοργάνων συστατικών, κροκάλες (d>20mm), χαλίκια (από 20 έως 2mm), άμμος (2 έως 0,02mm), ιλύς (0,02 έως 0,002mm), άργιλος (<0,002mm). Κροκάλες, χαλίκια, άμμος: Αποτελούν ομάδα εδάφους με κοκκώδη υλικά όπου οι κόκκοι τους δεν έχουν συνοχή μεταξύ τους. Διακρίνονται για τη μεγάλη διαπερατότητα λόγω του μεγάλου πορώδους των κόκκων τους. Δεν συγκρατούν θρεπτικά συστατικά, επειδή έχουν μικρή επιφάνεια και δεν υπάρχουν θετικά και αρνητικά φορτία. Η άμμος, ανάλογα με το ποσοστό που βρίσκεται στο έδαφος, το κάνει ψαθυρό και εύκολα διαπερατό στο νερό. Ιλύς: Αποτελούν ομάδα εδάφους με λεπτούς σφαιρικούς κόκκους, που χαρακτηρίζονται από πολύ μικρή διαπερατότητα. Δεν συγκρατούν θρεπτικά συστατικά. Η άμμος και η ιλύς συνιστώνται από πρωτογενή υλικά (άστριους, χαλαζία, μαρμαρυγίες) που προήλθαν από μηχανική αποσάρθρωση των πετρωμάτων. Άργιλος: Είναι πολύ λεπτόκοκκο έδαφος, κολλοειδούς μορφής. Το σχήμα των αργιλικών σωματιδίων, σε α- ντίθεση με την ιλύ και την άμμο είναι πεπλατυσμένο και επίμηκες. Η δε μεγίστη διάσταση των σωματιδίων είναι 0,008mm. Η ανόργανη και οργανική κολλοειδής φάση της αργίλου έχει προσροφητική ικανότητα στα διάφορα ανιόντα και κατιόντα κυρίως H +, Ca 2+, Na + που βρίσκονται στο νερό. Στη προσέλκυση των ιόντων H + οφείλεται η διόγκωση της αργίλου παρουσία νερού, ενώ στην προσέλκυση ιόντων ασβεστίου ή νατρίου οφείλεται η δυνατότητα σταθεροποίησης αυτής και των εδαφών γενικότερα. Η άργιλος αποτελείται από δευτερογενή ορυκτά (μοντμοριλλονίτης, καολινίτης) που προήλθαν από χημική αποσάρθρωση των πρωτογενών ορυκτών. Τα αργιλικά εδάφη που περιέχουν μοντμοριλλονίτη είναι τα περισσότερα προβληματικά λόγω της μη σταθερής δομής τους (τριστρωματικός σχηματισμός πυριτικών τετραέδρων, αργιλικών οκταέδρων) και εμφανίζουν εντονότατη διόγκωση και συρρίκνωση καθώς και μεγάλη πλαστικότητα. Τα λιγότερο προβληματικά εδάφη είναι αυτά που περιέχουν καολινίτη. Η δομή τους είναι πολύ σταθερή (διστρωματικός σχηματισμός πυριτικών τετραέδρων, αργιλικών οκταέδρων) με αποτέλεσμα η διόγκωση, η συρρίκνωση και η πλαστικότητά τους να είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με αυτά που περιέχουν τον μοντμοριλλονίτη. Η γονιμότητα του εδάφους εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άργιλο, η δε παραγωγικότητα από την ισορροπημένη κατανομή των τριών μηχανικών κλασμάτων του εδάφους (άμμος, ιλύς, άργιλος) και την ορυκτολογική σύσταση αυτών. Γενικά ένα αργιλώδες υλικό έχει κολλοειδή σύσταση, μεγάλη ικανότητα να συγκρατεί την υγρασία και ως εκ τούτου να διογκώνεται. Από τα ανωτέρω κλάσματα, η άργιλος είναι το ενεργό ανόργανο συστατικό του εδάφους. Ο προσδιορισμός του CaCO 3 που βρίσκεται σε άμμο, ιλύ, άργιλο είναι απαραίτητος για τη μελέτη των εδαφών. Τα πλούσια σε CaCO 3 είναι προβληματικά λόγω του ότι η περιεκτικότητα σε ασβέστιο είναι συνδεδεμένη με υψηλό ph, το οποίο αυξάνεται με την παρουσία του νερού. CaCO 3 +H 2 O Ca 2+ +HCO 3 - +OH - Σε ph πάνω από 8,3 το CaCO 3 παραμένει πρακτικώς αδιάλυτο. 113

11 Βιβλιογραφικές Αναφορές 31. Κοκκινάκης Α. Μαγματικά πετρώματα. Αθήνα, Winter, J.D. Igneous And Metamorphic Petrology. An Introduction. New Jersey: Prentice-Hall, Κουμαντάκης, Ι. Κεφάλαια Τεχνικής Γεωλογίας. Αθήνα: ΕΜΠ, Παπαγεωργάκης, Ι., Κουμαντάκης, Ι. Τεχνική Πετρογραφία. Αθήνα: ΕΜΠ, 1984 Ερωτήσεις κατανόησης Ερώτηση 1 Ποιές οι συνηθέστερες μορφές εμφάνισης των μαγματικών (πυριγενών) πετρωμάτων; Απάντηση Ηφαιστειακά και πλουτώνεια. Ερώτηση 2 Ποιά η ιδιομορφία των μεταμορφωσιγενών πετρωμάτων σε σχέση με τα μαγματικά και ιζηματογενή; Απάντηση Οι υψηλές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Ερώτηση 3 Γιατί υπερέχουν συντριπτικά τα ιζηματογενή πετρώματα στην επιφάνεια της Γης, αν και συνολικά αποτελούν ένα πολύ μικρό ποσοστό των πετρωμάτων του φλοιού; Απάντηση Μεσολαβούν πολλές διεργασίες στο σχηματισμό τους, όπως για παράδειγμα εξαλλοίωση, αποσάθρωση, απόθεση και διαγένεση. Ερώτηση 4 α) Πως σχηματίζονται τα χημικά ιζηματογενή πετρώματα; β) Σε τι διαφέρει ο τρόπος σχηματισμού τους από τον αντίστοιχο των οργανικών ιζηματογενών πετρωμάτων; Απάντηση α) Τα χημικά ιζηματογενή σχηματίζονται από φαινόμενα εξατμίσεων κατακαθίσεων και λόγω διαφοράς διαλυτοτήτων. β) Η διαφορά είναι ότι ο σχηματισμός των οργανικών γίνεται με την συμμετοχή της οργανικής ύλης. 114