teoria roques naturals

Geotècnia - BLOC I – Roques naturals

PROCESSOS DE FORMACIÓ DE LES ROQUES - CICLE GLOBAL


Element % volum % pes

De la unió d’aquests minerals en deriven la gran part de les roques

altres


DEFINICIÓ DE ROCA I CLASSIFICACIÓ GENETICA

Materials naturals constituïts d’un o mes minerals lligats entre ells per forces de cohesió que resisteixen les sol·licitacions mecàniques i el contacte amb l’aigua

En base a la gènesis es distingeixen en:-Magmàtiques: solidificació de masses fuses-Sedimentaries: disgregació i alteració de materials preexistents, transport,i sedimentació en aigua o terra, diagènesis en condicions de temperatura i pressió enproximitat de la superfície-Metamòrfiques: transformació de roques preexistents (magmàtiques, sedimentariesi metamòrfiques) en condicions elevades de temperatura i pressió en profunditat

La descripció d’una roca es pot fer de diferents maneres:-Observació d’una mostra macroscòpica-Anàlisis química-Anàlisis al microscopi òptic (sobre lamina prima)-Anàlisis al SEM (fins, argiles)


FORMACIÓ ROQUES MAGMÀTIQUES

Es formen per la solidificació d’un fluid silicat que cristal·litza formant una sèrie deMinerals

En base a la seva posició de formació es distingeixen:

Roques volcàniques: cristal·litzen a la superfície terrestre

Roques plutòniques: Es formen en profunditat

Roques hipo-abissals: Cristal·litzen a profunditats limitades

Aquestes característiques afecten la textura de la roca que pot ser

-Vidriosa-Olocristal·lina-Porfírica


Basalt: Temps de refredament breu. Textura vidriosa sense cristalls


Granet: Refredament lent, minerals ben desenvolupats, textura olocristal·lina


Pórfido: Refredament lent, alguns cristalls (fenocristalls) en la massaVidriosa, textura porfírica


Característiques

-Brillantor: capacitat de reflectir la llum-Vítria: Quars-Metàl·lica: Biotita, Magnetita-Translúcida: Feldespats-Opaca: Plagiòclasi-Anacarada: Moscovita

-Exfoliació: Tendència a desfer-se al llarg de plans definits-Moscovita, biotita, piroxens, amfíbols

-Reacció àcida: Permet definir la quantitat de calcita en roques

-Forma cristal·lina: Permet reconèixer algun mineral


Roca material originari

Conglomerat Blocs

Conglomerat Pedres

Conglomerat Grava

Arenisca Sorra

Siltita Llim

Argillita Argila

Roques terrígenes: diagènesis de la terra

Degradació física i química de materials preexistents

mm


Roques químiques i organògens-Acumulació de restes, precipitació de sals, nucleació...

Carbonats, sulfats, clorurs


Deposició rítmicaDe calcaria

3 m


Roques metamòrfiques

-Deriven de les transformacions de les associacions de minerals preexistents

-Ambient físico-químic diferent del originari en que s’han format

-Transformació sense variacions del quimisme general de la roca i sense fusió

-Temperatura i pressió

Deriven de:

Roques sedimentaries: Parametamòrfiques

Roques magmàtiques: Ortometamòrfiques

Roques metamorfosades: Polimetamòrfiques


Exfoliacions i alineacions

Orientació preferencial

Esquistositat


Gneiss Val Gardena(Itàlia)


Metamorfisme regionalT i P elevadesMoviments orogenèticsRoques laminades

Metamorfisme de contacteT elevada, P moderada, Roques sense laminacions


Principals productors de roques per ús industrial


Increment de la producció a escala global

Tones/any


PROCESSOS DE FORMACIÓ DE LES ROQUES - CICLE GLOBAL


L’alteració meteòrica dels materials i la sedimentació produeix la diagènesis, que compren el conjunt de processos químics i físics que porten a la litificaciódel sediment després del enterrament progressiu (Subsidència).

Existeixen diversos tipus de diagènesis.

• Sindiagènesis: Es casi contemporània a la deposició en ambient marí.

• Anadiagènesis: Procés de diagènesis en que es donen mecanismes de compactació (reducció porositat, cementació, autogènesis (formació de nous minerals), diferenciació, recristal·lització, solucions intercapes (stilolits), metasomatosis (bescanvi de ions).

• Epidiagènesis: Alteració dels materials en contacte amb l'aire després de la emersió de la roca.


Subsidència


StiloliteTípiques en materialsMicrocristal·lins i endiscontinuïtats de materialsSemi- coherents

Siltite passa a EpidotoLa Metasomatosis es el procés de transformació d’una roca a través de la substitució d’un dels seus minerals per un altre mineral de

substitució. L’aigua i els vapors dissolen uns components que son substituïts per altres


Dolomitització precoç

límit amb anchimetamorfisme

Sedimentació superficial

Anchimetamorfisme: precedeix el metamorfisme real. Compren els canvis que es donen a temperatures entre 150 i 300°C


Sindiagènesis

Anadiagènesis

Epidiagènesis


Connate water: Aigua que queda dins de la microporositat de la roca durant la seva formació


Cristal·lització

La cristal·lització de sals de solucions salines saturades provoca una disgregació dels materials

CaCO3 + SO32- + 2H2O ---�� CaSO4* 2H2O + CO2

*Anhidrita

Hidratació i Desidratació

CaSO4 + 2H2O CaSO4 * 2H2O

Anhidrita Guix

Augment de volum del 63%

Fe2O3 > Fe2O3* H2O > Fe2O3* 3H2O

Ematita Goethita Limonita

VERMELLGROC

Canvi de color a variar

l’estat d’hidratació


Processos que porten a l’adició o la remoció de molècules d’aigua d’un mineral i, en definitiva, a la formació d’una nova entitat mineralògica. L’aigua dipol es disposa al voltant dels ions determinant la hidratació de minerals anhidre. En resulta un augment de volum i una disminució de la solidesa. Aquest procés interessa òxids, carbonats, sulfats i silicats.


Variació de la dimensió d’alguns elements quan varia l’estat dehidratació. En general a la hidratació correspon un augment de lesdimensions.

Diàmetre

Diàmetre iònicDiàmetre hidratació

Na+ anhidre d=1,94 ÅNa+ hidratat d=5,60 Å


En argiles esmectitiques


Hidròlisis

Es el procés d’alteració química mes important que interessa els silicats. Reaccions de bescanvi iònic entre ions del reticle cristal·lí i ions H+ de la solució del medi.La reacció d'hidròlisis, consuma ions H+ i produeix ions OH- que provocaun augment del pH.L’acció hidrolitica produeix l’afebliment de l’estructura dels minerals il’alliberació d’ions i de conseqüència d’estructures de coordinació del Si, Al, Fe, en el ordre següent:

Ca2+, Na+, Mg2+, K+, SiO2, Fe2O3, Al2O3.

Els productes amb base Si, Al i Fe inicialment es presenten com gels amorfs.Els òxids i hidròxids de Fe i Al es tornen insolubles i originen acumulacions de goethita i ematita per Fe i de gibbsita per Al. Ràpidament però s’assisteix ad una evolució cap a un estat microcristal·lí amb neoformació de minerals argilosos.


Tipus de silicats

AILLATS

ANELL

CADENA

LAMINAR

3D

Grups de silicats

Nº d’oxígens compartits Tipus d’agrupament Nom del gran grup0 Individual Nesosilicats1 Parelles Sorosilicats2 Anells Ciclosilicats2 i 3 Cadenes Inosilicats3 Plans Fil·losilicats4 Tridimensional Tectosilicats



Inosilicats


Filosilicats

Tectosilicats


Tipus de silicats

AILLATS

ANELL

CADENA

LAMINAR

3D


SILICAT + 2H2O + H2CO3 cations + OH- + HCO3- + H4SiO4

Olivina ((Fe,Mg)2SiO4)

ALUMINOSILICAT + 2H2O + H2CO3 Min. argilòs + cations + OH- + HCO3- + H4SiO4

Ortoclasio (KAlSi3O8)

Hidròlisis

Hidròlisis


El destí dels productes de les reaccions es diferent a valors de pH neutre.

• Els compostos de silici son bastant solubles; en part s’utilitzen en la formació dels minerals argilosos i en part es perden per lixiviació.

• L’alumini resulta generalment poc mòbil i disponible.

• El ferro es poc soluble.

• Els cations poden entrar en els minerals argilosos (en l’estructura cristal·lina o adsorbits) o ser rentats amb HCO3

-.


Basalt


Hidròlisis Roques Fe-Mg pobres en Si


Hidròlisis Roques riques en Si


Oxidació

Reacció en que s’observa transferència d’electrons entre 2 materials. Es l’oxigen atmosfèric en presencia d’aigua que manifesta una activitat oxidant (acceptor d’electrons).Es una reacció reversible i interessa el comportament d’alguns elements polivalents Fe, Mn, S, N.

Pèrdua d’electrons:oxidació

Fe2+ Fe3+

Ferroso Ferrico

e-

e-

Guany d’electrons: riducció


La oxidació del ferro constitueix el principal procés d’alteració de les entitats mineralògiques en que el ferro ferros (Fe2+) es part integrant de la organització estructural de la roca (minerals femics, pobres en silici).

S’altera la neutralitat electrostàtica del cristall (augmenten les carregues positives) i en conseqüència altres cations marxen de l’estructura.

Es formen cavitats en el cristall, afebliments amb alteració dels materials i successiva formació d’òxids i hidròxids.

(Olivina)

Fe2SiO4 + 2H2O + 2H2CO3 2Fe2+ + 2OH- + 2HCO3- + H4SiO4

Fayalite hidròlisis

2Fe2+ + 2H2O + 4HCO3- + 1/2O2 -----------------> Fe2O3 + 4H2CO3

oxidació


Solubilitat dels idròxids de Fe, Al, Si, Mn i Mg en funció del pH


Bescanvi iónic

Consisteix en un bescanvi d’ions entre el mineral d’una roca i la soluciócirculant en el medi.

ExemplePer la remoció del potassi en els interstrats, les miques pateixen transformacions i distorsions irreversibles, generant minerals argilosos de tipus 2:1.


Solubilització

L’aigua funciona de solvent i porta en solució sals solubles com carbonat de calci (CaCO3), clorur de sodi (NaCl), i guix (CaSO4*2H2O) presents en moltes roques sedimentaries i evaporìtiques.

Successivament a la polarització de molècules d’aigua, els ions es separen de l’estructura cristallina.

La presencia de CO2 confereix a l’aigua un mes elevat poder solvent. La concentració de CO2 en la atmosfera tel·lúrica es 50-100 vegades superior a aquella de l’atmosfera, especialment si es tracta de zones on hi ha emanacions o activitat biológica.


Dolomitització:

–Substitució de calcita (o aragonita) por dolomita

–Identificació de la dolomita:

•Morfologia romboèdrica•Tinció con alizarina (no afecta a la dolomita).•Aspecte a zones per presencia d’impureses.

–Dolomitització parcial:

•Afecta a alguns components però es conserva la textura original de la roca.

–Dolomitització total:

•Es destrueix completament la textura original


Dipòsits salins

Micrite es un ciment carbonàtic microcristal·lí, amb grans inferiors a 4 micras.Sparite es mes gran, amb un gra mes gran de 4 micras i es crstallí.


Dolomitització

–A. Mosaic xenotópic:•cristalls anhedrals•contactes corbs i

irregulars.

–B. Mosaic idiotópic:•cristalls euhedrals•contactes rectes.

–C. Mosaic hipidiotópic:•cristalls subhedrals•contactes rectes y corbs

•POROSITAT INTERCRISTALINA–Rellenat de ciment ferruginós.


Dolomitització incipient en fòssil


Dolomitització parcial


Dolomitització totalMosaic Xenotópic-hipidiotópic


Dolomitització totalMosaic Idiotópic-hipidiotópic

Acetona 0,819 g/cm³


CONTROL

0

2

4

6

8

50-100 100-200 200-300 300-400 400-500 500-1000 >1000

SIZE CLASSES (µµµµm)

PO

RO

SIT

Y (

%)

REGULAR IRREGULAR ELONGATED

SOIL COMPACTED

0

2

4

6

8

50-100 100-200 200-300 300-400 400-500 500-1000 >1000

SIZE CLASSES (µµµµm)

PO

RO

SIT

Y (

%)

REGULAR IRREGULAR ELONGATED



Dins dels processos de diagènesi existeix un grup particularment interessant en geotècnia que engloba aspectes de cimentació que es manifesten a temperatura ordinària i poca profunditat i que consisteixen en la unió de partícules per la deposició d’un cement (coincideix amb la zona de epidiagenesis) .

Es parla de :

Compactació Reducció els espais buits en el sediments

Dissolució Dels minerals mes inestables (aragonita)

Cimentació Re-ompliment dels porus mitjançant minerals (majoritàriament calcita)

Recristal·lització Alteració dels minerals originaris en minerals nous, estables, en reaccions complexes com lasubstitució del Ca en la calcita per Fe etc..


Límits dels ambients naturals definit per pH i Eh en relació als fenòmens de sindiagènesis, anadiagènesis iEpidiagènesis.

Els diagrames Eh-pH i els camps d’estabilitat dels minerals.

Condicions oxidants: +Eh i >pH


Compactació

Mica


Dissolució

Sediment sotmès a processos de dissolució

A) Contacte puntual dels gransB) Contacte sub-planarC) Contacte en forma còncava i convexa D) Contacte suturat


CimentacióConsisteix en la formació d’un material anomenat ciment que s’interposa entre elsgrans de diferent grandària amb funció de lligant.

La formació del ciment es dona per la precipitació química de minerals que utilitzenions dissolts en aigües intersticials. Existeix una estreta correlació entre la dissoluciói la formació del ciment.

La cimentació pot ser:-per sílice

-Quars, calcedoni, òpal-per carbonats

-Calcita-Ankerita-Siderita

-per ferro-Pirita-Marcasita-Goetita, Ematita

-per filosilicats-Clorita, esmectita, kaolinita, illita


El ciment es pot formar en elsprimer estadis del procés

Porositat no modificada

Quan la compactació ja ha actuatEl ciment omple espais sempre mesreduïts


Fracció detrítica

-EsqueletQuarsFeldespatsAltres

-MatriuArgiles

-CimentSiliceCarbonatsÓxids

Sulfats


CIMENTACIÓ AMB SILICI

Clima mediterrani i àrids amb precipitació suficient per la dissolució de la sílice però sense mecanismes de lixiviació.

Descomposició lenta dels feldespats o ràpida del vidre volcànic.

2KAlSi3O8 + 2H+ + H2O → 2K+ + Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2

Crostes silícies es troben en diversos ambients desèrtics i formen el paviment dur i estèril (hamada), Sàhara, Sud-àfrica, Estats Units, Austràlia i regions seques de l'Amèrica del Sud.

Experimentalment s’ha trobat que el ciment silícic es soluble en una solució 0,5 N de NaOH calent, quan s’aplica a mostres tamisades a <50 µmes dissol en 100 minuts. Es un criteri de reconeixement de la proporció de ciment Si en un sòl.

Geotècnia - BLOC I

El ciment silícicLa quantitat de ciment silícic pot tenir un efecte important sobre la resistènciad’un sòl.En tractament experimentals s’han apreciat cessions del 6% de Si en un sòlamb una resistència a la compressió de 778 kg/cm2 en sec i 289 kg/cm2 en humitfins una succió de 10 cm (1kPa).

pF=log(10200·MPa)10200 cm H2O en 1 MPa10,2 cm H2O en 1 kPa

pF

2

3

4

5

6

7

11kPa = pF133kPa =pF21500kPa=pF4,5


Un 10% de Si en forma de Si(OH) pot cimentar el sòl de manera molt efectiva que impedeix la seva dispersió en una normal anàlisis granulomètrica.


______ 500µm ______ 200µm

______ 50µm______ 100µm

______ 20µm______ 5µm

Si la sílice es diposita en partícules d’argila, aquesta perd la capacitat de retracció i inflament


CIMENTACIÓ CARBONÀTICA

El carbonat càlcic es un ciment menys efectiu de la sílice.

Per a garantir pèrdues inferiors al 50% de resistència a la compressió elcontingut de ciment ha de ser almenys del 40% del material.

La cimentació es dona en règims pluviomètrics no superiors als 600 mm

-Règims superiors lixivien els ions carbonats-Règims inferiors no produeixen suficient humitat per a la cimentació

L’aigua carregada de CO2 solubilitza el carbonat que es diposita a profunditatsamb menor reacció àcida i es formen crostes carbonàtiques


CIMENTACIÓ PER SESQUIÒXIDS

Es forma exclusivament en clima humit.Lixiviació molt intensa que lixivia òxids de ferro i alumini en forma de col·loidesUn exemple es la capa cementada dels podzols

LateritesBauxites


cristal·lització salscristal·lització salscristal·lització salsCausa degrad.

hidròlisishidròlisisHidròlisis, Alteració

murs, pavimentsmurs, columnesmurs, columnes, pavimentsÚs

escassaescassaescassaFacilitat treball

blocsblocsblocsTipologia

2,72,92,6Massa vol. ap.

violeta, negregris foscblanc, rosa, verm.Color

mitjamitjamitjaGrana

granulargranulargranularEstructura

Si, Al, K, Na, Fe, Ca, MgSi, Al, Ca, Fe, Mg, NaSi, Al, K, Na, FeQuimisme

Kfl; plc; afbplc, orb, qzqz, Kfl, plc, btMinerals

magmàtica plutònicamagmàtica plutònicamagmàtica plutònicaClassificació

SIENITEDIORITEGRANETDenominació

nota: qz=quars; Kfl=feldespat potàssic; plc=plagiòclasi; bt=biotita; afb= amfíbol; orb=hornblenda


Cristal·lització salsCristal·lització salsacció mecànicaCausa degrad.

polvoritzaciópolvoritzaciófracturesAlteració

paviments, revestimentmurspavimentsÚs

escassaescassaescassaFacilitat treball

blocs, lapidablocsblocs, lapidaTipologia


gris clargris fosc, negrevioletColor

mitjafinamitjaGrana

porfíricaporfíricaporfíricaEstructura

Si, Al, Na, K, Ca, FeSi, Al, Ca, Mg, Fe, NaSi, Al, K, Na, FeQuimisme

snd, plc, btplc, prxqz, Kfl, btMinerals

magmàtica volcànicamagmàtica volcànicamagmàtica volcànicaClassificació

TRACHITABASALTPORFIDDenominació

nota: qz=quars; Kfl=feldespat potàssic; plc=plagiòclasi; bt=biotita; prx=piroxèn; snd=sanidina


Cristal·litz. salsCristal·lització salsDissol. cimentdissol. ciment calc.Causa degrad.

polvoritzaciófracturaerosióerosió, desprenimentAlteració

mursmurs, esculturesmurs, esculturesmursÚs

optimabonabonaecassaFacilitat treball

blocsblocs, lapidablocs, lapidablocsTipologia

1,82,22,1variableMassa vol. ap.

gris, grocVermell, violetagris, grocmúltipleColor

grollerafinafinaMolt grolleraGrana

variablevariablevariablevariableQuimisme

agt, bt, lctqz, Kfl, mscqz, Kfl, mscvariablesMinerals

sedim. piroclàsticasedimentaria clàsticasedimentaria clàsticasedimentaria clàsticaClassificació

TUFOARENISCACIM. SILÍCIC

ARENISCA CIM. CALCITIC

CONGLOMERATDenominaCIÓ

nota: qz=quars; Kfl=feldespato potàssic; msc=moscovita; bt=biotita; agt=augita; lct=leucita


dissoluciódissoluciódissolucióCausa degrad.

erosióerosióerosióAlteració

decoració, murdecoració, escultura, murmur, columna, pavimentÚs

bonaoptimabonaFacilitat treball

blocs, lapidablocsblocs, lapidaTipologia


gris clargroc, marróblancColor

grainstonepackstoneMudstoneTextura

CaCaCaQuimisme

calcitacalcitacalcitaMinerals

sedimentaria clàsticasedimentaria clàsticasedimentaria químicaClassificació

CALCARE ARENOSCALCARIA TENDRECALCARIA COMPACTADenominació


dissoluciódissoluciódissolucióCausa degrad.

erosióerosióerosióAlteració

murdecoració, murdecoració, murÚs

bonabonabonaFacilitat treball

blocs, lapidablocs, lapidablocs, lapidaTipologia

2,32,5variableMassa vol. ap.

blanc, marróblanc, rosablanc, vermell,grocColor

boundstoneRecristal·litzadawackestoneTextura

CaCa, MgCaQuimisme

calcitadolomitacalcitaMinerals

sedimentaria químicasedimentaria químicasedimentaria bioquímicaClassificació

TRAVERTÍDOLOMIACALCARIA FOSSILIFERADenominació


acció mecànicaCristal·lització salsdissolucióCristal·lització salsCausa degrad.

úsFractura, exfoliacióerosiófracturaAlteració

pavimentrevestimentescultura, decoraciórevestiment, murÚs

escassaescassaoptimaescassaFacilitat treball

lapidalapidablocs, lapidalapida, blocsTipologia

2,52,62,72,6Massa vol. ap.

groc, blancverd foscblanc, rosagris, línea foscaColor

finafinavariablemitjaGrana

elevadaelevadaabsentelevadaEsquistositat

poligonalnematoblàsticagranoblàsticanematoblàsticaEstructura

SiSi, Al, Fe, MgCa, SiSi, Al, KQuimisme

quarsserpentina, magnetitacalcita, qz, mscmcc, mscMinerals

metam. regionalmetam. regionalmetam. regionalmetam. regionalClassificació

QUARZITASERPENTINITAMARBREGNEISSDenominació

teoria roques naturals

Documents