1
2
زمین شناسی مهندسی
(Engineering Geology)
سنگ های آذرین
تهیه کننده : دکتر بهزاد زراعت
زمین شناسی مهندسی
3
هدف: آشنایی با مبانی دانش زمینشناسی و تاثیر محیط زمینشناسی بر سازههای مهندسی و پروژههای عمرانی
مباحث درس:
1- موقعیت زمین در فضا
2- آشنایی با زمینشناسی و جایگاه آن در مهندسی عمران
3- آشنایی با ساختمان داخلی زمین و زمان در زمینشناسی
4- فرآیندهای زمینشناسی (آذرین، دگرگونی، ساختمانی)
5- کانیها و سنگها
6- هوازدگی سنگها و تشکیل خاک برجا
7- ساختمانهای زمینشناسی
8- زمینساخت ورقهای
9- زمینلرزه
10- آبهای سطحی و زیر زمینی
11- ناپایداری دامنهها
12 – آشنایی با نقشههای توپوگرافی و زمینشناسی
سنگ های آذرین
سوال:
مطالعه سنگ ها در مهندسی عمران از چه نظر دارای اهمّیّت است؟
5
پوسته جامد زمین از سنگ های مختلف که از لحاظ ترکیب و خواص عمومی متفاوتند، تشکیل یافته است.
سنگ ها اجسامی هستند طبیعی که از یک نوع کانی (مانند: سنگ نمک، سنگ آهک، سنگ گچ) یا چند کانی (مانند: بازالت، گابرو، گرانیت و غیره) و یا قطعات شکسته شده کانی ها و یا از بقایای گیاهان و جانوران تشکیل شده اند.
6
چرخه سنگ ((The rock cycle
چرخه پیوسته ای از تغییرات که طیّ آنها سنگ ها بر اثر فرایندهای مختلف به سنگ های جدیدی تبدیل می شوند، «چرخه سنگ» را در طبیعت تشکیل می دهد.
7
8
9
10
11
زمین شناسان بر اساس منشا و نحوه تشکیل سنگ ها، آنها را به سه گروه اصلی سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگونی تقسیم می کنند.
12
۱- سنگ های آذرین یا ماگماتیکی (Igneous Rocks) :
مستقیماً از انجماد و تبلور ماگما (Magma) که یک ماده مذاب سیلیکاتی اشباع شده از گازها و بخارات است، تشکیل می شوند و برحسب اینکه در داخل پوسته جامد زمین و یا در سطح آن منجمد شوند به دو دسته تقسیم می شوند:
الف) سنگ های آذرین درونی یا نفوذی: که به آنها سنگ های پلوتونیکی یا Intrusive Rocks نیز اطلاق می شود.
ب) سنگ های آذرین بیرونی یا خروجی: که به آنها سنگ های ولکانیکی یا Extrusive Rocks نیز اطلاق می گردد.
13
انواع سنگ ها
Igneous rocks cycle
14
2- سنگ های دگرگونی یا متامورفیک (Metamorphic Rocks):
از تبلور مجدّد (Recrystallisation) کامل یا ناقص هر سنگی تحت تاثیر عوامل دگرگونی که شامل: حرارت، فشار و عمل سیال ها است، در ترکیب کانی ها و ساخت و بافت سنگ تغییر محسوس پدید می آید.
15
Metamorphic cycle
16
3- سنگ های رسوبی (Sedimentary Rocks) : از ته نشست یا رسوب مواد حمل شده (بوسیله آب، باد، یخچال و…) حاصل از تجزیه و تخریب سنگ های متشکله قشر جامد زمین ( سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگونی ) در حوضه های رسوبی و مخصوصاً در دریاها بوجود می آیند.
17
Sedimentary cycle
18
19
ماگما (Magma)
ماگما در زبان یونانی بمعنی خمیر آمده است و به مادّه مذاب سیلیکاتی اشباع شده از گازها و بخارات اطلاق می گردد.
ترکیب شیمیایی ماگماها متفاوت می باشد و در نتیجه سنگ هایی که از متبلور شدن ماگما بوجود می آیند، از کانی های متفاوت و یا با نسبت های متغیّر تشکیل یافته اند. موادّ عمده ای که با نسبت های متغیّر در ماگما وجود دارند، عبارتند از: اکسیدهای سیلیسیم، آلومینیوم، آهن دوظرفیتی، آهن سه ظرفیتی، منیزیم، کلسیم، سدیم و پتاسیم. همراه این اکسیدها، مواد فرار و به خصوص بخار آب نیز وجود دارد.
20
انواع مختلف توده های آذرین نفوذی
1- باتولیت(Batholith): بزرگترین و درونی ترین توده نفوذی که گسترش آن با عمق زیاد می شود و عموماّ بیش از 100 کیلومتر مربع است.
2- لاکولیت(Laccolith): توده های نفوذی عدسی مانندی هستند که در فصل مشترک لایه ها نفوذ کرده و طبقات رویی را به صورت گنبد در می آورند.
3- استوک( :(Stockتوده نفوذی مشابه باتولیت که دارای وسعتی کمتر از 100 کیلومتر می باشد.
4- سیل((Sill: توده نفوذی لایه ای شکل که به موازات لایه بندی طبقات مجاور تشکیل می شوند.
5- دایک(Dike): توده نفوذی لایه ای شکل که طبقات اطراف خود را قطع می کند.
21
22
سوال:
بزرگترین توده آذرین نفوذی چیست؟ آیا میتوان آن را در سطح زمین مشاهده نمود؟
23
24
سوال
کدامیک از اشکال توده های آذرین نفوذی نسبت به سنگ های اطراف خود هم شیب و کدامیک متقاطع می باشند؟
26
طرز تشکیل سنگ های آذرین درونی (Intrusive Rocks)
وقتی ماگما در زیر سطح زمین متبلور گردد، ایجاد سنگ های آذرین درونی یا نفوذی را می کند.
این موادّ سنگی را به هر شکلی که باشند پلوتون (Pluton) و انواع این سنگ ها را سنگ های پلوتونیکی نیز می نامند (Plutonic).
ماگما به هنگام حرکت به طرف سطح زمین تجزیه های گوناگونی را متحمّل می شود که اصطلاحاً به آن تفکیک یا تفریق ماگمایی (Differentiation) می گویند.
27
28
29
30
بافت سنگ های آذرین
بافت ((Texture: به شکل و اندازه بلورها و آرایش دانه های کانی در یک سنگ بافت آن سنگ می گویند.
شناخت بافت به شناسایی منشا تشکیل سنگ کمک می کند و توسّط آن می توان سنگ های آذرین درونی و بیرونی را از هم تشخیص داد.
بافت سنگ های آذرین را می توان به 6 دسته تقسیم نمود:
31
۱- بافت دانه ای: به آن بافت فانریتیک (Phaneritic) یا گرانولار (Granular) نیز گفته می شود.
این بافت موقعی بوجود می آید که ماگما به طور آهسته سرد شده و زمان کافی برای رشد بلورها باشد و در نتیجه بلورهای درشتی که با چشم قابل رویت می باشند، تشکیل می گردد.
این نوع بافت بیشتر در سنگ های آذرین درونی (پلوتونیکی) دیده می شود.
32
33
۲- بافت دانه ریز (Aphanitic): سرد شدن سریع ماگما مانع از رشد بلورها می شود و در نتیجه سنگ حاصله دارای بافتی دانه ریز می باشد که به آن بافت آفانیتیک می گویند.
در این بافت کریستال ها فوق العاده ریز و با قطر کمتر از 0/5 میلیمتر بوده، به طوری که تشخیص بلورها بدون کمک میکروسکوپ امکان پذیر نیست.
البته سرد شدن سریع ماگما بستگی به اندازه، شکل توده ماگما و همچنین فاصله آن از سطح زمین دارد. بافت دانه ریز یا آفانیتیکی بیشتر در سنگ های آذرین بیرونی (ولکانیکی) مشاهده می گردد.
34
Rhyolite
35
۳- بافت پورفیری (Porphyritic): در این نوع بافت، سنگ دارای بلورهایی با دو اندازه کاملاً متفاوت است، به طوری که بلورهای درشت یا بلورهای اوّلیّه به نام فنوکریست (Phenocryst) به وسیله خمیره ای (Matrix) ، متشکّل از دانه های بسیار ریز و یا شیشه ای احاطه شده اند.
36
سوال
بافت پورفیری چگونه تشکیل می شود؟
37
Andesite
38
۴- بافت شیشه ای (Glassic): انجماد سریع گدازه و خروج سریع گازهای محلول در آن موجب شیشه ای شدن کانی ها می گردد. در این حالت انجماد گدازه به حدّی سریع است که کانی ها فرصت کافی برای تشکیل بلور را نداشته و در نتیجه ماگما حالت شیشه ای به خود می گیرد.
این بافت در سنگ های آذرین بیرونی دیده می شود.
39
سوال: بافت هر یک از سنگ ها را مشخّص کنید.
40
۵- بافت پیروکلاستیک (Pyroclastic): در این بافت موادّ پرتاب شده از دهانه آتشفشان و قطعات شکسته شده سنگ های آذرین بیرونی به وسیله سیمانی (که این سیمان ممکن است رسوبی و یا از موادّ ولکانیکی باشد) متراکم شده اند. بافت پیروکلاستیک در سنگ های آذرآواری که محصول انفجارهای آتشفشان یا جریان گدازه است، دیده می شود.
41
6- بافت حفره ای (Vesicular): این بافت بیشتر در سنگ های آذرین بیرونی از قبیل پومیس (سنگ پا) دیده می شود. موقعی که بخار آب و گازهای موجود در گدازه که در سطح زمین جریان دارد بواسطه افت فشار از گدازه خارج می شوند، در نتیجه شکل این نوع گدازه های سنگی شده حفره ای و اسفنجی می گردد.
42
انواع مهمّ سنگ های آذرین درونی (Intrusive Rocks)
به طور کلّی سنگ های آذرین را بر حسب مقدار کوارتز، فلدسپات، و کانی های فرو منیزین موجود در آن به سنگ های اسیدی، حدّ واسط، بازیکی و اولترا بازیکی تقسیم می کنند. رنگ سنگ های اسیدی روشن و رنگ سنگ های بازیکی و اولترا بازیکی به علّت
داشتن کانی های فرومنیزین تیره می باشد.
از مهمترین سنگ های آذرین درونی از روشن (اسیدی) به تیره (بازیکی) می توان: گرانیت (Granite)، سینیت (Syenite)، دیوریت (Diorite)، گابرو (Gabbro)، پیروکسینیت (Pyroxenite) و پریدوتیت (Peridotite) را نام برد.
43
45
گرانیت:
سنگی است آذرین نفوذی با بافت دانه ای(Phaneritic) که بلورهای آن با چشم غیر مسلّح دیده می شود. کانی های اصلی گرانیت کوارتز و فلدسپات مخصوصاً از نوع اورتوکلاز می باشد و همراه آنها مسکویت، بیوتیت، آمفیبول (هورنبلند) نیز ممکن است دیده شود.
گرانیت ها بعد از بازالت ها فراوانترین سنگ آذرین پوسته زمین اند و وسعت زیادی از پوسته قاره ای دارای ترکیب گرانیتی است.
در ایران توده های باتولیتی الوند در همدان و گرانیت های مشهد را می توان نام برد.
46
Granite
47
48
49
خواصّ مقاومتی گرانیت:
از نقطه نظر کانی ها هر چه کوارتز گرانیت بیشتر باشد، مقاومت گرانیت بیشترخواهد بود، در صورتی که هر چه مقدار فلدسپات و میکا در آن افزایش یابد مقاومت کمتر می شود و همچنین با افزایش مقدار میکا، کلّیّه خواصّ مقاومتی گرانیت به خصوص مقاومت در برابر هوازدگی به سرعت تقلیل می یابد.
50
گرانیت ها دارای مقاومت فشاری بالایی هستند، به طوری که در انواع مختلف مقاومت فشاری از 1200 تا 2500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع متغیّر است.
51
سوال
مقاومت گرانیت های دانه ریز بیشتر است یا دانه درشت؟ چرا؟
52
کاربردهای سنگ گرانیت در عمران
کاربرد وسیع در کارهای ساختمانی: به عنوان سنگهای ساختمانی و تزیینی
استفاده از گرانیت خرد شده برای تهیه بتن، زیرسازی جاده و راهآهن
53
54
Pegmatite
استفاده از گرانیت به عنوان سنگ نما در آب و هوای گرم و خشک مناسب تر است یا گرم و مرطوب؟ چرا؟
55
سوال:
دیوریت:
سنگی است آذرین نفوذی با بافت دانه ای که از پلاژیوکلازها و کانی های فرومنیزین ( هورنبلند و بیوتیت ) تشکیل شده است.
به طور کلّی توده های دیوریتی به مراتب خیلی کوچکتر از توده های گرانیتی است.
56
57
Diorite
گابرو:
سنگی است آذرین نفوذی با بافت دانه ای که کانی های اصلی آن پلاژیوکلازها و پیروکسن می باشد. معمولاً کانی های فرومنیزین دیگر، مخصوصاً اولیوین نیز در آن دیده می شود.
58
59
Gabro
60
Peridotite
61
طرز تشکیل سنگ های آذرین بیرونی (Vulcanic Rocks)
چنانچه ماگما از شکاف ها و منافذ موجود در قشر جامد زمین به سطح زمین رسیده و منجمد گردد، سنگ های آذرین بیرونی و یا خروجی را به وجود می آورد.
موادّ مذابی که به سطح زمین می رسد یا به صورت گدازه جاری می گردند و یا به صورت بمب ها و خاکسترهای آتشفشانی در هوا پخش می شوند و پس از انجماد به سطح زمین سقوط می کنند.
62
63
64
65
66
67
68
69
Lava flow
70
71
72
73
انواع مهمّ سنگ های آذرین بیرونی (Volcanic Rocks)
ریولیت (Rhyolite)
تراکیت (Trachyte)
آندزیت (Andesite)
بازالت (Basalt)
کوارتز پورفیر (Quartz Porphyr)
سنگ های شیشه ای (Glassy Rocks) سنگ های آذرآواری (Pyroclastics)
74
بازالت (Basalt):
بازالت آفانیت برابر گابرو می باشد و از ماگمای مشابه در شرایط متفاوت پدید آمده است، یعنی اینکه از نظر ترکیب کانی شناسی
معادل سنگ نفوذی گابرو می باشد.
بازالت به رنگ های خاکستری تیره متمایل به سیاه، سبز خیلی تیره و سیاه یافت می شود.
بازالت ها فراوانترین سنگ ولکانیکی بوده و وسعت های زیادی را در طبیعت می پوشانند.
75
76
Basalt
77
بازالت (Basalt):
دارای ساخت منشوری که در هنگام سرد شدن موادّ مذاب حاصل میگردد و سنگهای بازالتی را به شکل ستونهای منشوری (شش وجهی) نمایان میسازد.
بازالت به دلیل بافت متراکمی که دارد، دارای مقاومت فشاری خیلی زیاد است و تا حدود 4000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع میرسد، لذا از این سنگ بیشتر به منظور زیرسازی راهها استفاده میشود.
78
Basalt columns
79
Basalt columns
80
آندزیت (Andesite):
آندزیت سنگی است خروجی که از ماگمای دیوریتی با سرد شدن سریع درسطح زمین به وجود می آید و دارای همان کانی های دیوریت می باشد، به این معنی که کانی های آن پلاژیوکلاز و کانی های فرومنیزین(آمفیبول و بیوتیت) است.
بافت آندزیت ها معمولاً پورفیری است. فنوکریست ها غالباً پلاژیوکلاز است. رنگ آندزیت ها غالباً خاکستری تیره یا قرمز مایل به قهوه ای است.
81
Andesite
82
ریولیت (Rhyolite):
ریولیت سنگی ولکانیکی معادل گرانیت است و به خاطر فراوانی کانی های رنگ روشن، معمولاً به رنگ های سفید و خاکستری روشن و نیز قهوه ای و قرمز دیده می شود.
83
Rhyolite
84
Rhyolite
85
کوارتز پورفیر (Quartz Porphyr):
در این نوع سنگ ولکانیکی کانی های درشت کوارتز (فنوکریست) درون خمیره ای از دانه های بسیار ریز یا حتّی شیشه ای یافت می شود.
86
سنگ های شیشه ای (Glassy Rocks):
سرد شدن سریع ماگما و خروج گازهای معمولی در آن به علّت افت فشار موجب شیشه ای شدن ماگما می گردد و معمولاً ماگماهای اسیدی به علّت غلظت زیاد، بیشتر به حالت شیشه ای در می آیند.
از سنگ های شیشه ای می توان: ابسیدین (Obsidian)و پومیس (Pumice) را نام برد.
87
ابسیدین (Obsidian):
ابسیدین شیشه طبیعی است که غالباً ترکیب آن از ماگمای ریولیتی و آندزیتی است و کمتر با ترکیب ماگمای مافیکی بوجود می آید. دارای جلای شیشه ای و سطح شکست صدفی است. غالب ابسیدین ها سیاه رنگ بوده، ولی ممکن است به رنگ های قهوه ای یا خاکستری نیز پیدا شوند.
88
Obsidian
89
پومیس (Pumice):
پومیس یا سنگ پا سنگی اسفنجی شکل است و دارای مقدار زیادی حفره با حجم تقریباً مساوی است که این حفره ها در نتیجه فرّار گازها در حین انجماد ماگما ایجاد شده اند. به رنگ های سفید، خاکستری روشن یا تیره، و سیاه یافت می شود. در پومیس ها ممکن است حفره ها به قدری زیاد باشند که سنگ روی آب شناور گردد.
90
Pumice
91
سنگ های آذرآواری (Pyroclastics):
سنگ های آذرآواری از موادّ آواری که از دهانه آتشفشان ها خارج و در هوا منتشر شده و در سطح زمین، دریاچه ها و یا دریاها رسوب
می کنند، به وجود می آیند.
سنگ های آذرآواری به مقادیر نسبتاً زیاد در تمام مناطق آتشفشانی یافت می شوند. این سنگ ها را بر حسب اندازه دانه ها به توف و برش های ولکانیکی تقسیم می نمایند.
92
93
Tuff
94
خواصّ عمومی و مهندسی سنگ های آذرین
1- سنگ های آذرین بر خلاف سنگ های رسوبی و دگرگونی، فاقد لایه بندی و یا تورّق بوده و معمولاً به صورت توده ای ( (Massive دیده می شوند.
2- سنگ های آذرین به دلیل شرایط تشکیل خاص، فاقد فسیل یا آثار موجودات زنده می باشند.
95
3- با توجّه به ترکیب کانی شناسی، سنگ های آذرین دارای مقاومت زیادی در مقابل عوامل هوازدگی و فرسایش می باشند و همچنین درجه خوبی از مقاومت فشاری را دارند و به همین دلیل از آنها بیشتر به عنوان مصالح ساختمانی و نیز برای کلّیّه مقاصد ساختمانی اعم از: سنگ نما و نماسازی ساختمان ها و ستون ها، سنگ قبر، مجسمه سازی، کف پوش ساختمان ها، استفاده در پارک ها به عنوان صندلی یا پلّه سازی و به خصوص در زیر سازی جادّه ها و پی سازی استفاده می شود.
96
4- سنگ های آذرینی که دارای بافت دانه درشت هستند در مقابل عوامل هوازدگی و تخریب و فرسایش مقاومت کمتری نسبت به سنگ های دانه ریز داشته و راحت تر تحت تاثیر عوامل فرسایشی قرار می گیرند، لذا از انواع دانه ریز به منظور تهیّه بالاست(Ballast) و زیر سازی جادّه ها و ریل های راه آهن و نیز تهیّه بتن استفاده می شود.
97
5- سنگهای آذرین فوق قلیایی (اولترا بازیک) که حاوی مقدار خیلی زیادی از کانیهای فرومنیزین هستند، گسترش کمتری نسبت به سایر سنگهای آذرین دارند، همچنین در مقابل عوامل هوازدگی مقاومت کمتری دارند و راحتتر دستخوش تغییرات قرار میگیرند؛ و بر این اساس در امور مهندسی چندان مورد استفاده قرار نمیگیرند.
98
99
به عنوان سنگهای تزئینی: پس از برش و صیقل دادن بعضی از سنگهای آذرین به ویژه گرانیتها و گابروها
در شیشهسازی: از رگههای سیلیس
در چینی سازی: از رگههای فلدسپات
به عنوان عایق در ساختمانها: از پوکه معدنی
پرداخت چوب: از سنگ پا برای ساییدن
برخی موارد استفاده از سنگهای آذرین
100
بعضی از فلزات با ارزش مثل الماس، طلا، نقره، مس، جیوه، پلاتین و غیره توسط سنگهای آذرین فراهم میشود.
از فرسایش و هوازدگی کانیهای سنگهای آذرین، خاک به وجود میآید که تکیه گاه و محل زیست و تغذیه موجودات زنده در سطح زمین است.
سوال
معادل بیرونی سنگ های خانواده پریدوتیت چیست؟
101
102
Peridotite
با تشکر از
همراهی صمیمانه شما
103