Инженерные изыскания в строительстве. Геология (минералогия, петрография)

УДК 624.131.1
ББК 26.3
И62
Авторы:
П.И. Кашперюк, Н.А. Платов, А.Д. Потапов , В.С. Крашенинников, 
А.А. Лаврусевич, О.К. Криночкина
Рецензенты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор С.А. Лаухин,
профессор кафедры инженерной геологии МГРИ – РГГРУ;
кандидат геолого-минералогических наук, доцент Э.З. Кучуков,
доцент кафедры инженерных изысканий и геоэкологии НИУ МГСУ
И62	 	
Инженерные изыскания в строительстве. Геология (минералогия, петрография) [Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / П.И. Кашперюк и др. ; М-во науки и высшего образования Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т. — Электрон. дан. 
и прогр. (3,09 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ
, 2019. — Режим доступа: http://
lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r_91/cgiirbis_64. exe?C21COM= F&I21DBN= IBIS&P21DBN=IBIS — 
Загл. с титул. экрана.
	
	
ISBN 978-5-7264-2000-4 (сетевое)
	
	
ISBN 978-5-7264-1999-2 (локальное)
В учебно-методическом пособии рассмотрены вопросы происхождения, формирования и строения минералов и горных пород. Предназначено для самостоятельной работы обучающихся при подготовке к практическим занятиям и лабораторным работам по дисциплине «Инженерные изыскания в строительстве. Геология (минералогия, петрография)».
Для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2019

Редактор Т.Н. Донина
Корректор В.К. Чупрова
Верстка и дизайн титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 04.09.2019 г. Объем данных 3,09 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
Введение.....................................................................................................................................................  6
1. ИЗУЧЕНИЕ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ.....................................................................  7
1.1. Основные задачи изучения дисциплины «Инженерные изыскания в строительстве. 
Геология (минералогия, петрография)».......................................................................................  7
1.2. Основные понятия.
..........................................................................................................................  8
1.3. Генезис минералов..........................................................................................................................  8
1.4. Классификация минералов.
............................................................................................................10
1.5. Методика визуального определения породообразующих минералов.
.......................................11
1.6. Диагностические показатели минералов......................................................................................12
1.7. Указания к выполнению лабораторной работы по изучению минералов
визуальным методом......................................................................................................................17
2. ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ.......................................................................................................19
2.1. Краткий очерк о кристаллографии................................................................................................19
2.2. Общие понятия и определения......................................................................................................20
2.3. Главные законы кристаллографии.
................................................................................................22
2.4. Кристаллографическая классификация........................................................................................27
2.5. Свойства кристаллов.
......................................................................................................................32
2.6. Изучение горных пород с помощью петрографических методов..............................................34
2.7. Теоретические основы кристаллооптики.....................................................................................35
2.7.1. Понятие о естественном и поляризованном свете и свойствах световых лучей.
...........35
2.7.2. Характер волновой поверхности и оптический знак кристаллов.
...................................37
2.7.3. Световые эффекты в кристаллах.
........................................................................................38
2.8. Поляризационный микроскоп.
.......................................................................................................42
2.8.1. Устройство и назначение дополнительных линз...............................................................42
2.8.2. Особенности устройства призм Николя.............................................................................43
2.8.3. Препараты для исследования..............................................................................................45
2.8.4. Технические требования к подготовке микроскопа для работы......................................46
2.9. Методика исследования шлифов...................................................................................................47
2.9.1. Исследование шлифа в проходящем свете при одном поляризаторе..............................47
2.9.2. Исследование шлифа в проходящем свете при скрещенных николях............................49

3. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ ..............................................................................51
3.1. Изучение магматических горных пород.......................................................................................51
3.2. Основные понятия.
..........................................................................................................................53
3.2.1. Генезис...................................................................................................................................53
3.2.2. Структура и текстура.
...........................................................................................................54
3.2.3. Инженерно-геологические особенности магматических горных пород.
........................56
4. ИЗУЧЕНИЕ ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.
.................................................................................57
4.1. Основные понятия.
..........................................................................................................................57
4.2. Инженерно-геологические особенности осадочных пород........................................................59
5. ИЗУЧЕНИЕ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД.
.................................................................63
5.1. Основные понятия.
..........................................................................................................................63
5.2. Инженерно-геологические особенности метаморфических горных пород .............................66
6. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.............................................................................................................................68
Заключение.................................................................................................................................................69
Библиографический список......................................................................................................................70
Приложения................................................................................................................................................71

ВВЕДЕНИЕ
Данное пособие поможет будущему инженеру-строителю решать практические задачи, важнейшей из которых является оценка инженерно-геологических свойств горных 
пород. Это необходимо как с целью их использования в качестве среды основания сооружений, так и для оценки пригодности как строительных материалов. Так как все породы 
состоят из минералов, курс начинается с освоения основ минералогии, а именно с изучения наиболее распространенных породообразующих и некоторых важных для строителей акцессорных минералов. Для надежного определения свойств минералов обучающимся необходимо освоить основы кристаллографии и кристаллооптики, которым 
посвящен второй раздел данного пособия.
Обучающийся, переходя к разделу, посвященному изучению горных пород (петрографии), благодаря усвоению навыков самостоятельного определения минералов по визуальным признакам должен научиться различать их в составе горных пород и понимать 
зависимость свойств пород от минерального состава и текстурно-структурных особенностей. Последнее тесно связано с условиями формирования горных пород и потому им 
в пособии придается немаловажное значение. 
Так, благодаря логично выстроенному материалу дисциплины, обучающиеся смогут 
самостоятельно различать наиболее распространенные горные породы, определять их 
пригодность в качестве оснований будущих сооружений, а также давать прогнозы их возможного использования как строительных материалов.

1. ИЗУЧЕНИЕ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ
1.1. Основные задачи изучения дисциплины 
«Инженерные изыскания в строительстве. Геология (минералогия, петрография)»
Инженер-строитель, встречаясь в своей практике с горными породами, решает весьма сложную 
и трудоемкую задачу: оценивает инженерно-геологические свойства пород как с целью их использования в качестве среды основания сооружения, так и для получения строительных материалов.
Одной из задач дисциплины «Инженерная геология» является подготовка бакалавров к  изучению ряда технических дисциплин, таких как «Механика грунтов, основания и фундаменты», 
«Строительные материалы», «Технология строительного производства», а также к решению геологических вопросов при проектировании и строительстве конкретных сооружений. Для этого обучающиеся должны получить комплекс теоретических знаний на лекциях, а также практических навыков в процессе выполнения практических и лабораторных работ. В частности, на лабораторных 
занятиях по изучению минералов обучающиеся исследуют коллекции из 20...30 наиболее распространенных породообразующих и некоторых акцессорных минералов (таких как пирит и сера, являющихся вредными примесями с точки зрения строителей) и приобретают навыки определения диагностических свойств и признаков минералов, видимых невооруженным глазом.
Определить причины формирования тех или иных свойств горных пород без изучения слагающих их элементов — минералов — невозможно. Поэтому в процессе изучения дисциплины «Инженерная геология» обучающимся необходимо приобрести практические навыки самостоятельного 
определения минералов по внешним свойствам и признакам, научиться различать минералы в горных породах, понимать зависимость свойств горных пород от их минерального состава и условий 
формирования.
Многообразие природных условий формирования минералов привело к чрезвычайно обширному их количеству. Список вновь открываемых минералов постоянно пополняется, в связи с чем изучить все минералы в лаборатории инженерной геологии невозможно. Однако известно, что главным «строительным материалом» горных пород является небольшое количество минералов. Изучив 
эти главные породообразующие минералы, обучающийся сможет прогнозировать проявление их 
свойств в горных породах — главном объекте изучения инженерной геологии.
Основная цель освоения визуального метода определения минералов — научить обучающихся 
самостоятельно различать наиболее распространенные минералы в составе горных пород. Обучающиеся изучают свойства минералов, распространение их в горных породах и влияние этих минералов на свойства самих горных пород. Наряду с этим овладение визуальным методом определения 
минералов по внешним диагностическим признакам, глубокое освоение этих признаков на примере 
наиболее характерных породообразующих минералов позволит обучающимся при необходимости 
определять и другие минералы.
В результате выполнения лабораторных работ по изучению минералов и горных пород обучающиеся, осматривая вскрытые котлованы на строительных площадках, должны самостоятельно определить, какие горные породы находятся в основании будущего сооружения.
Выполнение лабораторных работ по породообразующим минералам также дает возможность изучить различные методы классификации минералов, их генезис, химический состав, внутреннюю 
структуру, особенности наиболее характерных свойств, в том числе представляющих особый интерес для инженера-строителя. К таким особенностям относятся устойчивость к выветриванию, растворимость в воде, прочность.
В процессе выполнения лабораторных работ после внимательного рассмотрения коллекций образцов минералов, нахождения диагностических признаков и определения минералов обучающиеся 
производят записи в лабораторном журнале, фиксируя в нем также наиболее характерные свойства 
минералов, сведения о которых можно получить из учебников, справочников, конспектов лекций, 
настоящего пособия и объяснений преподавателя.
Для проверки полученных знаний после завершения лабораторных работ обучающиеся должны 
выполнить контрольную работу: по образцам определить минералы и их классификационную принадлежность; указать их представительность в горных породах; оценить их инженерно-геологические и другие свойства.
7

1.2. Основные понятия
Минералогия (от лат. минера — руда) — наука о минералах, изучающая генезис, состав, строение, распространение и свойства минералов.
Минералы — однородные по составу и строению природные химические соединения или элементы, образованные в результате определенных процессов в земной коре и на ее поверхности.
По своему агрегатному состоянию большинство минералов являются твердыми (кварц, графит 
и др.), но встречаются минералы жидкие (ртуть, вода) и газообразные (сероводород, углекислый газ).
К настоящему времени известно несколько тысяч минералов, однако лишь около 50 имеют широкое распространение. Они в основном и слагают горные породы.
Широко распространенные в земной коре минералы, являющиеся обязательной составной частью горных пород, получили название главных, или породообразующих, минералов. Главные минералы в составе определенной группы образуют более или менее постоянные сочетания и обусловливают основные свойства породы. Например, в гранитах породообразующие минералы различных 
групп составляют: полевые шпаты — до 60 %, слю҂ды — до 15 %, кварц — 25...351 %; в составе мрамора преимущественное распространение имеет минерал кальцит (до 90...100 %) [2].
Минералы, не являющиеся неотъемлемой частью горной породы, получили название второстепенных, или акцессорных, минералов. Второстепенные минералы встречаются в небольшом количестве, но иногда оказывают существенное влияние на свойства пород. Например, наличие пирита 
(даже в количестве 1...2 %) в составе гранита делает последний не пригодным в качестве облицовочного камня, а щебня из гранита или диорита — в качестве заполнителя бетона.
В некоторых породах присутствуют случайные минералы, называемые примесями; роли в основных свойствах этих пород они почти никогда не играют.
Дисциплина «Инженерная геология» изучает наиболее важные породообразующие и некоторые 
акцессорные минералы, играющие существенную роль в формировании строительных свойств горных пород [1].
1.3. Генезис минералов
Рассмотрим генезис (от греч.  происхождение, возникновение) минералов. Минералы образуются в сложных термодинамических и физико-химических условиях в недрах и на поверхности земной 
коры. Каждый отдельный минерал образуется при определенных температурах, давлении, концентрации минерального вещества. В связи с этим минералы устойчивы только в определенных условиях, при 
изменении которых происходит разрушение минералов и их переход в другие вторичные образования.
Минералы магматического генезиса образуются при остывании, дифференциации и кристаллизации магмы2 и ее производных (газов, горячих водных растворов и др.). Процесс магматического 
минералообразования сложен и разнообразен; в нем выделяют дифференциацию и кристаллизацию 
магмы. При кристаллизации магмы в процессе остывания из расплава последовательно выпадают 
различные минералы, а при дифференциации — более тяжелые минералы, богатые окислами таких 
металлов, как железо, магний, хром и др., опускаются, а обогащенные кремнеземом, т.е. более кислые (легкие), — поднимаются.
При затвердении магмы:
•
• начинается ее кристаллизация при температуре около 1200 °С. При постепенном понижении 
 
температуры образуются пироксен (чаще всего авгит), амфибол (чаще роговые обманки), слю҂ды 
(биотит, мусковит), полевые шпаты, кварц и параллельно — анортит, альбит;
•
• пегматитовый процесс приводит к формированию крупно- и гигантокристаллических пород 
в виде жил, где образуются полевые шпаты, кварц, слю҂ды. Это постмагматический процесс, связанный с остыванием расплава;
•
• гидротермальным путем в различных трещинах, пустотах в виде жил образуются многочисленные гидротермалиты и рудные минералы — пирит и др.;
•
• вулканический процесс характеризуется образованием стекол различного состава (обсидиан), 
самородной серы.
1 Петрографический кодекс России  (утв. МПР РФ). — 2-е изд. — СПб. : ВСЕГЕИ, 2008. — 200 с.
2 Магма (от греч. густая масса) — расплав сложного силикатного состава, содержащий следующие химические элементы,  %: кислород — 47,0; кремний — 25,9; алюминий — 8,0; железо — 4,6; кальций — 3,0; магний — 1,9; натрий — 2,5; калий — 2,5; другие 
элементы — 1.
8

Минералы осадочного, или экзогенного, генезиса образуются в результате процессов, протекающих 
в верхней части земной коры или на ее поверхности. Под воздействием комплекса атмосферных, водных 
и других факторов (кислород, углекислый газ, микроорганизмы, вода и водные растворы различного состава, колебания температур, различная интенсивность солнечного излучения) минералы магматического 
генезиса существенно изменяются. В результате гидролиза, гидратации, окисления, растворения и других 
процессов они преобразуются в новые устойчивые соединения в химическом и физико-химическом отношениях. Процесс разрушения одних минералов и образования новых называется выветриванием, результатом которого являются такие вторичные минералы, как гидрослюды, каолинит, монтмориллонит, сульфаты, коллоидные окислы и гидроокислы железа и кремния (лимонит, опал и многие другие).
В процессе жизнедеятельности животных, растительных организмов, а также микроорганизмов, 
особенно в мелководных заливах морей, образуется ряд биогенных минералов, таких, например, как 
лимонит, глауконит, опал.
К экзогенному способу образования минералов относится также кристаллизация минеральных солей из водных растворов в озерах и морских заливах в периоды интенсивного испарения воды, когда 
раствор становится перенасыщенным. Это происходит в областях с жарким, засушливым климатом, 
поэтому минералы, образовавшиеся здесь (галит, гипс, ангидрит, кальцит и др.), являются индикаторами засушливого климата, что широко используется при палеогеографических реконструкциях.
Минералы метаморфического генезиса образуются в результате воздействия высоких температур, 
больших давлений и флюидов3 на минералы магматического и осадочного генезиса. Возникающие 
новые физико-химические условия энергично преобразуют минералы. Метаморфические минералы 
имеют преимущественно силикатный состав. К их числу относятся серпентин, асбест, хлорит, тальк, 
актинолит, родонит, гранат и др. [3, с. 8–10].
В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии и лишь незначительная часть — в аморфном. Различие между кристаллическим и аморфным состояниями вещества 
заключается в том, что в кристаллическом теле ионы и атомы располагаются в определенном, характерном для данного вещества порядке, который диктуется его кристаллической решеткой. В аморфном 
веществе в расположении частиц нет никакой закономерности. Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных веществ вызывает различие их свойств. Прежде всего это выражается в том, 
что кристаллические вещества, как правило, анизотропны, а аморфные почти всегда изотропны.
Анизотропность, или анизотропия — фундаментальное качество кристаллических веществ, которое выражается в различии их свойств в разных направлениях, так как в кристаллическом веществе 
связи между частицами могут быть различны в этих направлениях. Изотропность проявляется в статистически одинаковых свойствах веществ во всех направлениях.
К числу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится их способность образовывать кристаллы (свойство самоогранения). Это означает, что каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа химических связей решетки, химического состава 
и условий его образования. В кристалле различают следующие элементы: грани или плоскости, ограничивающие кристаллы; ребра — линии пересечения граней; вершины — точки пересечения ребер; 
гранные углы — углы между гранями. Вершины кристаллов соответствуют узлам пространственной 
решетки, ребра — рядам, а грани — плоским сеткам пространственной решетки.
Для всех кристаллов одного и того же вещества действует закон постоянства гранных углов: углы 
между соответствующими гранями кристалла минерала одинаковы и постоянны. Этот закон позволяет определить минералы даже по мелким обломкам кристаллов, если они хоть в какой-то мере сохраняют естественные грани.
Важным свойством кристаллического вещества является его однородность, которая проявляется 
в том, что любые части вещества имеют одинаковые свойства. Любой обломок графита в одном направлении легко расщепляется по параллельным плоскостям на листочки, а в других — с трудом ломается по неровным поверхностям. Это обусловлено одинаковым внутренним строением любого обломка.
Известны случаи, когда в различных природных условиях вещества одинакового химического состава образуют минералы, имеющие разное внутреннее строение и, следовательно, разные физические свойства. Такое явление называется полиморфизмом. В качества примера полиморфного превращения можно привести две минеральные модификации углерода — графит и алмаз.
3 Флюиды (от лат.  текучий) — жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирующие в глубинах земной коры насыщенные газами растворы. В их составе, предположительно, преобладают перегретые пары воды, фтор, хлор, углекислота и многие другие 
элементы и соединения.
9

1.4. Классификация минералов
В процессе практического ознакомления с минералами изучается их классификация по химическому составу, отражающая особенности возникновения минералов и формирования их свойств.
Минералы классифицируются по различным принципам: по происхождению, химическому составу, кристаллохимическим и кристаллографическим особенностям, сопротивляемости к выветриванию, растворимости и др.
Наиболее важной с инженерно-геологической точки зрения является классификация минералов 
по химическому составу. В практическом плане такая классификация дает возможность судить о генетических особенностях минералов и формировании их основных свойств [4, с. 4–5]. 
Значительные возможности для уточнения генезиса минералов, установления их структуры 
и формирования свойств открывает кристаллохимическая классификация. В соответствии с ней для 
характеристики типа строения минерала его химический состав изображается структурной химической формулой. Например, оливин (Mg, Fe)·[SiO4] содержит в своем составе ортокремневые соединения магния или железа. В кристаллических решетках минералов одни ионы (или их группа) могут 
изоморфно замещаться другими. Изоморфно замещающиеся элементы разделяются запятыми и записываются в круглых скобках, а постоянный радикал — в квадратных.
Широкие перспективы для уточнения генезиса минералов, установления их структуры и влияния на свойства открывает кристаллохимическая классификация. В соответствии с этой классификацией, как было показано выше, для характеристики типа строения минерала его состав изображается структурной химической формулой (например, K[Si3Al2O8]).
Химическая классификация основана на эмпирически полученных формулах, отображающих соотношение химических элементов в составе данного минерала. Она базируется на химическом составе анионной части соединения, т.е. в ее основу положена предпосылка, что металлоидная часть 
минералов позволяет лучше группировать их в сходные «классы», так как обусловливает ряд внешних признаков: кристаллическую форму, оптические свойства и др.
Сокращенная химическая классификация минералов приведена в табл. 1. 
Таблица 1
Классификация наиболее распространенных минералов по химическому составу
Класс
Группа
Подгруппа
Вид
Полевые шпаты
Ортоклаз, плагиоклазы
Алюмосиликаты
Фельдшпатоиды
Нефелин, лейцит
Слюды
Мусковит, биотит
Пироксены
Авгит
Силикаты
Метасиликаты
Амфиболы
Роговая обманка, актинолит
Ортосиликаты
—
Оливин
Вторичные
Глинистые
Тальк, серпентин, асбест, хлорит, родонит, хризолит, каолинит, 
силикаты
минералы
монтмориллонит, гидрослюды (иллит, глауконит)
Карбонаты
—
—
Кальцит, доломит, магнезит
Оксиды
—
—
Вода, кварц, кремень, гематит, халцедон, корунд
Гидрооксиды
—
—
Лимонит, опал
Сульфаты
—
—
Ангидрит, гипс, мирабилит
Сульфиды
—
—
Пирит, марказит, халькопирит, киноварь
Галоиды
—
—
Галит, сильвин, флюорит
Фосфаты
—
—
Апатит, фосфорит
Вольфраматы
—
—
Вольфрамит, шеелит, ферберит
Самородные 
элементы
—
—
Графит, сера, серебро, золото, медь
10