«Экономические аспекты геологии»

Зеркало грунтовых вод или уровень грунтовых вод может находиться вблизи или на поверхности в низких и влажных районах, и может быть на две тысячи футов или более ниже поверхности в засушливых регионах с высоким топографическим рельефом. Из-за влияния капиллярности зеркало грунтовых вод не является горизонтальной поверхностью. Оно демонстрирует неровности, более или менее повторяющие контуры поверхности, хотя и не столь резко выраженные.

Нижний предел грунтовых вод более неровный, чем верхняя поверхность, и менее определенно известен. В целом, пустоты в горных породах имеют тенденцию уменьшаться с глубиной из-за цементации и закрытия полостей под давлением, которое порода не может выдержать. Но породы настолько сильно различаются по своему первоначальному характеру и по своей реакции на физическую и химическую среду, что нередко можно обнаружить плотные и непроницаемые породы выше, а открытые и пористые породы ниже. Нижний предел зоны обильных подземных вод варьируется соответственно. Скважина может встретить почти сухую породу на сравнительно небольшой глубине, или она может достичь пористого водоносного пласта на значительной глубине. На больших глубинах иногда обнаруживаются карманы воды, которые имеют состав, отличный от состава поверхностных вод, и которые, очевидно, изолированы от поверхностных вод зонами непроницаемой породы.

Были предприняты попытки рассчитать общий объем подземных вод путем измерения пустот горных пород и принятия допущений относительно глубины, на которую могут простираться такие пустоты. Таким образом, было подсчитано, что если бы все грунтовые воды были собраны в единое целое, они образовали бы оболочку толщиной от восьмидесяти до двухсот футов (в зависимости от допущений) над всеми континентальными областями.

ДВИЖЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Доступность водоснабжения определяется движением или потоком воды, а также ее распределением и количеством. Естественный поток воды под землей вызывается гравитацией в более крупных пустотах, но в более мелких пустотах адгезия и капиллярность также являются важными силами.

Из всей воды, выпадающей на поверхность, часть может вообще не уходить под поверхность, а немедленно испаряться или присоединяться к стоку — то есть к поверхностным потокам. Другая часть может проникнуть на небольшое расстояние в зону выветривания, а затем присоединиться к стоку. Из воды, достигающей зоны насыщения, часть может вскоре выйти на поверхность в низких местах и присоединиться к стоку, а часть может проникнуть глубоко.

Выше зоны насыщения гравитация переносит воду вниз по извилистым путям, пока она не достигнет зеркала грунтовых вод. После этого ее курс в значительной степени определяется самой низкой точкой выхода из зеркала грунтовых вод. Другими словами, зеркало грунтовых вод — это неровная поверхность; и под влиянием гравитации вода стремится двигаться от высоких точек этой поверхности к низким. Между точкой входа и точкой выхода из зеркала грунтовых вод вода следует различными курсами, в зависимости от пористости и пустот в горных породах. В целом она заполняет все доступные пустоты и использует все доступное поперечное сечение при продвижении из одной точки в другую. Разница в высоте или «напор» между точкой входа и точкой выхода, вместе с пористостью породы и другими факторами, определяют общую скорость ее движения (см. стр. 73). При равной пористости поток максимален вдоль линии, непосредственно соединяющей две точки, а на более извилистых курсах поток меньше.

Поверхностная вода сначала проникает в землю через бесчисленные мелкие отверстия. Вскоре, однако, она стремится сконцентрироваться в каналы наиболее легкого потока, в результате чего в последней части своего подземного пути она может быть сильно сконцентрирована в крупных магистральных каналах. Эти каналы могут состоять из трещин или, часто, из очень грубых и проницаемых пластов. Осадочные породы в целом содержат больше всего пустот, и поэтому самый большой поток и самый большой запас воды часто локализуются в них. Из осадочных пород песчаники и известняки обычно содержат самые крупные и наиболее непрерывные пустоты и, таким образом, обеспечивают наиболее свободную циркуляцию воды. Пустоты в мелкозернистых сланцах могут по объему равняться пустотам в песчаниках и известняках, но отверстия настолько малы и прерывисты, что вода не течет свободно. Независимо от общего количества воды, если нет непрерывных отверстий какого-либо размера, поток может быть небольшим.

Отношения более пористых пород к вмещающим непроницаемым пластам также глубоко влияют на поток подземных вод. Между непроницаемыми пластами циркуляция может быть сконцентрированной и энергичной внутри пористого пласта. Там, где пористый пласт не ограничен таким образом, движение может быть более рассредоточенным и менее энергичным локально. Наклон пластов, конечно, также влияет на направление и величину потока.

Влияние гравитации на подземные воды может локально приводить к состоянию равновесия, при котором движение практически отсутствует. В таком случае вода по существу застаивается и движется только тогда, когда ее извлекают искусственными отверстиями.

КОЛОДЦЫ И ИСТОЧНИКИ

Подземные воды становятся доступными для использования с помощью источников, а также через колодцы или скважины. Вода поднимается на поверхность в естественных источниках в точках, где давление или напор, обусловленный ее проникновением в землю на более высоком уровне, достаточен, чтобы вытолкнуть ее на поверхность после более или менее длительного подземного пути. Движение может быть полностью направлено вниз и в сторону к точке выхода, или оно может быть направлено вниз, в сторону и вверх. Обычно путь вод источников не уносит их далеко под поверхность. Тепло и газы могут добавляться под поверхностью при контакте с остывающими магматическими породами или при поступлении от них. Они могут ускорять движение вод источников вверх и давать термальные и насыщенные газом воды, как в источниках и гейзерах Йеллоустонского парка.

Когда бурится скважина для использования запасов подземных вод, вода может не подниматься в искусственном отверстии, и ее, возможно, придется поднимать на поверхность.

Если, однако, вода ограничена под непроницаемым пластом и находится под давлением воды из более высоких областей, отверстие скважины может просто позволить ей двигаться вверх под собственным давлением или напором. Это давление может поднять ее вверх всего на несколько футов или прямо до поверхности или выше, в последнем случае скважина называется артезианской. Основным условием для артезианской циркуляции является пористая зона, наклоняющаяся вниз от поверхности под непроницаемым пластом, который стремится ограничить и запрудить воду. Вода в любой точке водоносной породы находится под давлением, которое более или менее эквивалентно весу столба воды, определяемому разницей в высоте между этой точкой и точкой входа или зоной питания воды. Если зона питания выше, чем устье скважины, вода поднимется прямо до поверхности; если нет, она поднимется только частично. Капиллярное сопротивление, однако, может и обычно уменьшает теоретическое давление, рассчитанное таким образом.

Поток в глубоких артезианских циркуляциях обычно медленный. Для артезианских скважин южного Висконсина было подсчитано, что водам, проникающим в выход на поверхность наклоненных к югу слоев песчаника и известняка в северной части штата, потребовалось двести или триста лет, чтобы достичь точки в южной части штата, где они извлекаются. Из-за этого медленного движения большое количество скважин в любом одном месте может исчерпать местный запас быстрее, чем он пополняется из остальной части формации. Бурение дополнительных скважин поблизости в таких случаях не увеличивает общий дебит, а лишь распределяет его между большим количеством скважин.

Пористость горных пород, а следовательно, и поток артезианской циркуляции, в некоторых случаях может быть искусственно увеличена путем взрывных работ и дробления.

СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды никогда не бывают полностью свободны от растворенных минеральных веществ, и редко они свободны от взвешенных частиц. Некоторые воды желательны, потому что они содержат очень небольшие количества растворенных минеральных веществ. Другие ценятся, потому что они имеют необычно высокое содержание определенных минеральных веществ. При определении вредного или полезного воздействия растворенных веществ многое зависит от цели, для которой вода будет использоваться — будь то питье, стирка, паровые котлы или орошение. Вблизи поверхности подземные воды могут нести бактерии, а также животные и растительные отходы, которые с санитарной точки зрения обычно нежелательны. Более глубокие воды с большей вероятностью лишены этого загрязнения из-за фильтрации через горные породы и почвы.

Растворенные минеральные вещества подземных вод происходят по большей части из растворения горных пород, с которыми воды вступают в контакт, особенно на поверхности или вблизи нее. Посредством подземных вод происходят большинство минеральных и химических изменений горных пород. Растворенные вещества в растворе в любое время и в любом месте могут поэтому рассматриваться как побочные продукты изменений горных пород. Локально они могут в некоторой степени происходить из прямых эманаций от остывающих магматических масс.

Наиболее распространенными минеральными веществами, содержащимися в водах, являются известь и магнезия. Менее распространены, но обильны локально, сода, поташ, железо и кремнезем. Воды содержат также определенные кислотные и газообразные вещества, наиболее распространенным из которых является углекислый газ; и менее распространены, но локально обильны, хлор и сернистый газ. Там, где известь и магнезия обильны, вода обычно классифицируется как жесткая вода. Там, где они отсутствуют или подчинены соде и поташу, вода обычно классифицируется как мягкая вода. Большие количества кислотных веществ, таких как хлор и сера, вредны для большинства целей. Там, где присутствуют необычные количества углекислого газа или других газов, они могут при расширении вызывать вспенивание воды.

Если бы мы попытались описать и определить характеристики, касающиеся растворенного минерального содержания и температуры, которые делают одну воду более желательной, чем другую, мы вошли бы в область самой удивительной сложности и область со многими удивительными противоречиями. Для наиболее широкого использования самой желательной водой является холодная вода, максимально свободная от минерального содержания, и особенно та, в которой отсутствует избыток извести и магнезии, делающих ее жесткой; также отсутствует избыток кислотных компонентов, таких как сернистый газ, углекислый газ или хлор, которые придают воде вкус или делают невозможным ее использование в котлах. Локально и по особым причинам востребованы воды других качеств. Воды, настолько чрезмерно газированные, что они пенятся, сернистые воды, хлорные воды, воды с высоким содержанием железа, высоким содержанием кремнезема, высоким содержанием поташа, высоким содержанием соды или высоким содержанием магнезии, или воды с высокой температурой, могут стать рассматриваться как желательные. Интересным фактом является то, что любая вода с необычным вкусом, или необычным минеральным содержанием, или необычной температурой, скорее всего, будет рассматриваться как имеющая лечебную ценность. Иногда это мнение основано на научных знаниях; иногда это эмпирический вывод, основанный на опыте; а иногда это может быть просто суеверие. В одном случае желательной особенностью может быть присутствие большого количества углекислого газа; в другом случае это может быть его отсутствие. В одном случае желательной особенностью может быть высокая температура; в другом случае — низкая температура. Та же комбинация качеств, которая в определенной местности может рассматриваться как весьма желательная, может рассматриваться как весьма вредная где-то еще, где в моде другие типы вод.

Права собственности и реклама привели к использованию для питьевых целей определенных вод, которые по существу не отличаются от более широко доступных вод, не рассматриваемых как имеющие особую ценность. Два источника, расположенные бок о бок, или источник и глубокая скважина, чьи воды имеют точно такие же химические характеристики, могут использоваться и оцениваться по совершенно разным шкалам. Любая попытка классифицировать минеральные воды, продаваемые населению, каким-либо научным способом раскрывает самую запутанную и неясную ситуацию. Можно только заключить, что популярность определенных вод основана не только на объективных качествах состава, а скорее на причинах, которые лежат в областях психологии и коммерции.

Роль, которую играет мнение в оценке воды, хорошо иллюстрируется общим предпочтением родниковых вод по сравнению с колодезными. В сознании общественности «родниковая вода» означает воду необычайной чистоты и с более желательным минеральным содержанием, чем колодезная вода. Можно привести примеры районов, в которых поверхностные или родниковые воды имеют состав, не отличающийся от состава более глубоких колодезных вод, и гораздо более вероятно, что они загрязнены из-за близости к поверхности; и все же люди будут платить значительные суммы за родниковую воду, предпочитая ее дешево доступной колодезной воде.

СВЯЗЬ ГЕОЛОГИИ С ВОДОСНАБЖЕНИЕМ ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ

Очевидно, что знание геологии полезно при поиске источника подземных вод. Локально факты могут стать настолько хорошо известными эмпирически, что бурильщик скважин способен получить удовлетворительные результаты, не используя ничего, кроме самых грубых геологических знаний; но в целом внимание к геологическим соображениям имеет тенденцию устранять неудачи при бурении скважин и обеспечивать более надежное и удовлетворительное водоснабжение.

При бурении на воду важно знать природу, последовательность и структуру горных пород под поверхностью, чтобы иметь возможность идентифицировать и сопоставлять их по образцам бурения. Одной лишь идентификации образцов часто достаточно, чтобы определить, была ли скважина пробурена достаточно глубоко или слишком глубоко для достижения максимальных результатов. Чтобы прийти к какому-либо предварительному приближению результатов для данной местности, может потребоваться знание общей геологии всего региона. Особенно для дорогих глубоких артезианских скважин необходимо заранее проработать геологические возможности. Бесполезно, например, искать артезианскую воду в граните; но в области полого наклоненных пластов, с чередованием пористых и непроницаемых слоев, эксперт часто может с высокой степенью уверенности рассчитать глубину, на которой будет найден данный пористый пласт, и давление, под которым будет находиться вода в этом конкретном пласте в данной точке. Даже минеральный состав воды в некоторых случаях может быть предсказан на основе геологического изучения.

Одной из наиболее очевидных и непосредственно полезных услуг геолога в большинстве местностей является сбор и сохранение образцов скважин для целей идентификации и корреляции геологических формаций, а также в качестве руководства для дальнейшего бурения. Неспособность сохранить образцы часто приводила к бесполезному и дорогостоящему дублированию работы.

Проблема водоснабжения в некоторых местностях сравнительно проста и легка. В других областях существует бесконечное разнообразие геологических условий, которые влияют на проблему, и геолог считает необходимым использовать все научные знания любого рода, которые могут быть применены, — особенно знания, касающиеся типа породы, стратиграфии и структуры.

ПОВЕРХНОСТНОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Там, где подземные воды не обильны или не являются дешево доступными, или где требуются большие количества воды, как в крупных городах или для целей орошения, используются поверхностные воды. В целом поверхностные воды с большей вероятностью загрязнены растительными и животными веществами и требуют очистки для питьевых целей.

Поверхностные воды также используются для орошения, гидроэнергетики, дренажа, отвода сточных вод и т. д. Это огромное разнообразие видов использования переносит рассмотрение поверхностных вод во многие области, помимо геологии, но понимание и интерпретация геологических условий тем не менее являются фундаментальными. Это подтверждается включением геологических дискуссий в большинство учебников по гидрологии и в отчеты Гидрографического отделения Геологической службы США. Сам факт того, что эта важная отрасль правительственных исследований находится в ведении Геологической службы США, указывает на ее тесную связь с геологией.

Принципы геологии, используемые при изучении поверхностных вод, относятся главным образом к физиографии (см. главу I). Обычно необходимо знать общее количество потока, его годовое и сезонное изменение, а также возможные методы выравнивания или концентрации; максимальное количество потока, изменение во время периодов паводков и возможности сокращения или контроля; минимальный поток и его возможную модификацию путем хранения или вспомогательного источника. Эти вопросы очевидно связаны с размером и формой водосборной площади, топографией, структурой горных пород, отношением между подземным потоком или поглощением и стоком, а также другими физиографическими факторами. Цитируя Д. У. Мида: [12]

Геологические условия часто имеют большое значение из-за их влияния на количество и регулярность стока. Если геологические отложения водосборной площади являются высоконепроницаемыми, поверхностный поток будет принимать и передавать воду в массу только через трещины и разломы в породе. Проницаемые материалы, такие как песчаники, пески, гравий и трещиноватые или раздробленные породы, вызывают просачивание, замедляют сток и, если такие отложения подстилаются непроницаемым пластом, обеспечивают подземное хранение, которое задерживает воду вдали от условий, допускающих испарение, и, следовательно, имеет тенденцию увеличивать сток и выравнивать поток. С другой стороны, если такие проницаемые отложения обладают другими выходами за пределами русла потока и водосборной площади, они могут привести к отводу большей или меньшей части просачивающихся вод полностью от конечного потока реки. Крупнозернистые пески и гравий будут быстро впитывать осадки в свою структуру. Мелкие и рыхлые слои песка также быстро принимают и передают осадки, если только осадки не являются чрезвычайно сильными, при которых часть их может стекать по поверхности.

Многие из высокопроницаемых отвердевших формаций принимают воду медленно и требуют значительного времени контакта, чтобы принять и удалить максимальное количество.

На плоских, проницаемых участках осадки определенной интенсивности часто необходимы для получения любого результирующего потока реки. В одной водосборной площади Колорадо дренажный канал обычно сухой, за исключением случаев после выпадения осадков в полдюйма или более. Меньшее количество осадков, за исключением условий предварительно насыщенной площади, испаряется и просачивается через почву в глубоко залегающий проницаемый песчаник под поверхностью, который передает их за пределы водосборной площади. Такие результаты часто сильно затушевываются вмешательством других факторов, таких как температура, растительность и т. д.

Естественное хранение любой водосборной площади и возможности искусственного хранения зависят главным образом от ее топографии и геологии. Хранение выравнивает поток, хотя отвод осадков путем хранения снега или льда в северных районах часто снижает зимний поток до минимума за год. Как поверхностное, так и подповерхностное хранение иногда удерживают воду от рек в то время, когда она могла бы быть выгодно использована. Хранение, хотя и необходимое для регулирования, не всегда является преимуществом для условий немедленного потока.

ПОДЗЕМНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ В ОТНОШЕНИИ К ЗЕМЛЯНЫМ И СТРОИТЕЛЬНЫМ РАБОТАМ

Едва ли необходимо упоминать об этом предмете. В горном деле расходы на откачку являются одним из больших факторов стоимости. Прогноз количества и потока воды, с которыми придется столкнуться при добыче, основан на геологических условиях. То же самое верно при прокладке туннелей, каналов и глубоких фундаментов. Детальное изучение количества и природы воды в породе и почве Панамского канала было жизненно важным для знания причины и возможностей предотвращения оползней. Горные обвалы в целом тесно связаны с количеством и распределением содержания воды.

Важность грунтовых вод как вредного фактора в военных операциях была показана во время недавней войны при рытье траншей и других полевых работах. Вначале, за возможным исключением германской армии, отсутствие научного изучения условий грунтовых вод привело к множеству ненужных трудностей. Вскоре стало необходимым изучать и наносить на карту условия воды в больших деталях до начала операций. Большая часть этой работы была проделана геологами (см. главу XIX).

Геологические соображения вовлечены в большое разнообразие инженерных начинаний, связанных с улучшением рек и гаваней, местами для плотин и т. д., упомянутых в главе XX.

СНОСКИ:

[12] Мид, Дэниел У., Гидрология: McGraw-Hill Book Co., Нью-Йорк, 1919, стр. 447-448, 456.

ГЛАВА VI

ОБЫЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ПОЧВЫ КАК МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОБЫЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Под общим заголовком обычных горных пород включены обычные магматические, осадочные и «метаморфические» породы, а также неконсолидированные глины, пески и гравий, характерные для поверхностных условий, которые добываются и разрабатываются для коммерческого использования. Почвы тесно связаны с этой группой; но поскольку они представляют собой особые проблемы, они обсуждаются под отдельным заголовком в конце главы. Названия обычных горных пород будут использоваться с общим коммерческим значением, приданным им Геологической службой Соединенных Штатов в ее отчетах о минеральных ресурсах.

Из-за их неисчерпаемого количества и легкой доступности стоимость продуктов из обычных горных пород невелика на единицу веса; но в совокупности она занимает высокое место среди минеральных продуктов. По тоннажу обычные горные породы составляют, возможно, 10 процентов от мирового годового объема добычи всех минеральных товаров (исключая воду).

Больший тоннаж обычных горных пород используется в коммерческих целях в дробленых или измельченных формах для дорожного материала, для железнодорожного балласта и для цемента, кирпича, бетона и флюса. В блоках и конструкционных формах, меньшего совокупного тоннажа, они используются как строительный камень, монументальный камень, брусчатка, бордюрный камень, плиты для тротуаров, кровельный камень, огнеупорный камень и для многих других строительных и производственных целей.

Обычные горные породы — это товары, в которых большинство стран мира самообеспечены. Международная торговля этими товарами незначительна, ограничиваясь небольшими количествами материалов для специальных целей или местными перемещениями на короткие расстояния, допускаемыми хорошими транспортными средствами.

Обычные горные породы настолько обильны и широко распространены, что сохранение сырья обычно не является жизненно важной проблемой. Принципы сохранения ресурсов, однако, применимы к фактору человеческой энергии, необходимому для их эффективного использования. В оценке обычных горных пород также более важными факторами являются не внутренние качества камней, а скорее условия их доступности для использования.

Из-за объема и сравнительно низкой внутренней стоимости основными коммерческими факторами доступности обычных горных пород являются транспортировка и легкость добычи, но это отнюдь не единственные факторы, определяющие доступность. Их минеральный и химический состав, их текстура и структура, их долговечность, их поведение при изменениях давления и температуры и другие факторы вступают в игру в значительной степени. Взвешивание и интеграция этих факторов с целью достижения выводов о доступности конкретных каменных материалов также зависят от целей, для которых эти материалы должны использоваться. Проблема совсем не проста. Поиск конкретной породы для удовлетворения определенного спроса в определенных пределах стоимости часто бывает долгим и трудным. Из-за обилия и широкого распространения обычных горных пород и их разнообразия использования существует немало популярных заблуждений относительно их доступности. Многие строительные и производственные предприятия столкнулись с катастрофическими препятствиями из-за тенденции предполагать доступность камня без проведения полнейшего технического исследования. Многие карьерные предприятия потерпели крах по той же причине. Легко предположить, что, поскольку гранит в определенной местности выгодно добывается и используется, какой-то другой гранит в той же местности имеет равные шансы. Однако незначительные различия в структуре, текстуре и составе, или в затратах на добычу и транспортировку, могут означать всю разницу между прибылью и убытком. Даже если все эти условия удовлетворительно соблюдены, строители и пользователи часто настолько консервативны, что новый продукт с трудом пробивается на рынок. Хорошо зарекомендовавший себя строительный или декоративный камень, или известняк, используемый в качестве флюса, может удерживать рынок годами перед лицом конкуренции со стороны столь же хороших и более дешевых поставок. Сам масштаб карьерного предприятия может определить его успех или неудачу.

Гранит

Термин «гранит», как он используется в коммерции, включает настоящий гранит и такие родственные породы, как сиенит и гнейс. На самом деле, даже кварцит иногда называют гранитом в коммерции, как в случае с барабускими кварцитами Висконсина, но это уже слишком. Для статистических целей Геологическая служба Соединенных Штатов также включила небольшие количества диорита и габбро. Основными видами использования гранита являются, примерно в порядке важности, монументальный камень, строительный камень, щебень, брусчатка, бордюрный камень, каменная наброска и бутовый камень. Тридцать штатов в Соединенных Штатах производят гранит, лидерами являются Вермонт, Массачусетс, Северная Каролина, Мэн, Висконсин, Миннесота и Калифорния.

Базальт и родственные типы

Базальт и родственные породы иногда включаются под названием «трапп», которое включает — помимо типичного базальта и диабаза — мелкозернистый диорит, габбро и другие основные породы, которые менее распространены и схожи по химическим и физическим свойствам. Основным использованием этих пород является щебень для дорожных и балластных целей и для бетона. Они производятся в пятнадцати штатах, лидерами являются Нью-Джерси, Пенсильвания, Калифорния и Коннектикут.

Известняк, мергель, мел

В Соединенных Штатах известняк используется главным образом как щебень для дорожного материала, железнодорожного балласта, бетона и цемента, как флюсующий камень для металлургических целей и в производстве извести. Второстепенные виды использования — как строительные камни, брусчатка, бордюрный камень, плиты для тротуаров, бутовый камень и каменная наброска; на щелочных заводах, сахарных заводах, бумажных фабриках и стекольных заводах; и для сельскохозяйственных целей. Для производства цемента, в металлургических флюсах и в большинстве производственных и сельскохозяйственных целей используются как известняк, так и известь (известняк с удаленным нагреванием CO2). Известь также широко используется при изготовлении раствора для строительных работ, при дублении кожи и в большом разнообразии химических производств. Общее количество известняка, используемого для всех целей в Соединенных Штатах, почти равно количеству железной руды. Почти каждый штат в союзе производит известняк, но более важными производителями являются Пенсильвания (где большое количество используется для флюсования), Огайо, Индиана, Нью-Йорк, Мичиган и Иллинойс.

Тесно связан с известняком в коммерческом использовании, а также в химическом составе, известковый мергель, который широко используется в производстве портландцемента.

Мел — это мягкое аморфное вещество того же состава, что и известняк. Основными видами использования мела являются наполнитель в резине и компонент краски и замазки. Он также используется для полировки. Основными производителями этого товара являются Англия, Дания и Франция, а главным потребителем — Соединенные Штаты. Соединенные Штаты зависят от импорта в своих поставках мела для производства белил. До войны две трети поступали из Англии и треть из Франции. Во время войны импорт ограничивался Англией, с небольшим тоннажем из Дании. Никакие месторождения отечественного мела не эксплуатировались в коммерческих целях. Несколько худшие белила, но способные быть замененными мелом в большинстве случаев, производятся из отходов мелкого материала карьеров известняка и мрамора.

Мрамор

Мрамор — это известняк, который был грубо перекристаллизован метаморфизмом. Мрамор в коммерции включает небольшое количество серпентина, добываемого и продаваемого в Массачусетсе, Калифорнии, Мэриленде, Пенсильвании и Вермонте, а также небольшое количество так называемого ониксового мрамора или травертина, полученного из пещер и других месторождений в Кентукки и других штатах. Основными видами использования мрамора являются строительные и монументальные камни. Из двадцати двух штатов, производящих мрамор, лидерами являются Вермонт, Джорджия и Теннесси.

Небольшое количество мрамора особой красоты, приспособленного для декоративных целей, импортируется из европейских стран, особенно из Италии. Импорт мрамора из Италии составляет около двух третей, как по тоннажу, так и по стоимости, всего камня, импортируемого в Соединенные Штаты.

Песок, песчаник, кварцит (и кварц)

Песок состоит главным образом из частиц кварца или кремнезема, хотя иногда присутствуют полевой шпат и другие минералы. Песчаники — это частично сцементированные пески. Кварциты — это полностью сцементированные пески. В некоторой степени эти вещества используются взаимозаменяемо для одних и тех же целей.

Основными видами использования песка в порядке коммерческих итогов являются строительные цели — для раствора, бетона, силикатного кирпича и т. д., — как формовочный песок в литейных цехах, как компонент стекла, при шлифовке и полировке, при мощении, как песок для двигателей, как огнеупорный или печной песок, в производстве ферросилиция (стальной сплав) и в фильтрах. Ссылка на песок как абразив и в производстве стали сделана в главах XIII и IX. Почти каждый штат производит некоторое количество песка, но для некоторых более специализированных видов использования, таких как стекольный песок, формовочный песок и огнеупорный или печной песок, распределение более или менее ограничено. Геологическая служба Соединенных Штатов собрала информацию о распределении различных видов песка и гравия и выполняет очень полезную функцию, предоставляя данные о поставках материала для конкретных целей. Мелкие формовочные пески импортировались из Франции, но во время войны отечественные источники в Нью-Йорке и Огайо были развиты достаточно, чтобы удовлетворить любые требования.

Песчаник в коммерции включает кварциты Миннесоты, Южной Дакоты и Висконсина, а также мелкозернистые песчаники Нью-Йорка, Пенсильвании и других мест, известные в торговле как «синий камень». В Кентукки большая часть добываемого песчаника известна на местном уровне как «вольный камень». Основными видами использования песчаника являются строительный камень, щебень и ганистер (для силикатного кирпича и футеровки печей). Другие виды использования — для брусчатки, бордюрного камня, плит для тротуаров, каменной наброски, бутового камня, точильных камней, оселковых камней и камней для пульпы (см. также главу XIII). Песчаник иногда измельчается в песок и используется в производстве стекла и как формовочный песок. Большинство штатов союза производят песчаник, основными производителями являются Пенсильвания, Огайо и Нью-Йорк.

«Песок и гравий»

Там, где песок грубый и нечистый и смешан с галькой, он обычно называется «песок и гравий». Для песка и гравия основными видами использования являются железнодорожный балласт, дорожное строительство и бетон. Песок и гравий производятся почти в каждом штате союза, крупнейшими производителями являются Пенсильвания, Огайо, Иллинойс, Нью-Джерси и Северная Каролина.

Глина, сланец, шифер

Сланец — это консолидированная глина, обычно с тонкой ламинацией из-за напластования. Шифер — это более плотная и кристаллическая порода, производимая обычно анаморфизмом глины или сланца под давлением и характеризующаяся тонкой сланцеватостью, которая обычно наклонена к осадочному напластованию.

Глины используются главным образом для строительного и дорожного кирпича и черепицы, канализационных труб, железнодорожного балласта, дорожного материала, глиняного замка, портландцемента и гончарных изделий. Глина добывается почти в каждом штате. Огайо, Пенсильвания, Нью-Джерси и Иллинойс имеют наибольшее производство. Существовал значительный импорт высококачественных глин, главным образом из Англии, для специальных целей — таких как наполнение и покрытие бумаги; производство фарфора, фарфора для электрических целей и тиглей; и для использования в ультрамариновых пигментах, в санитарной керамике, в клеенке и в качестве наполнителей в хлопчатобумажных отбельных цехах. Военный опыт показал возможность замены отечественными глинами для большинства этих видов использования; но результаты не во всех случаях были удовлетворительными, и Соединенные Штаты, несомненно, продолжат использовать импортные глины для некоторых из этих специальных целей.

Сланцы из-за своей тонкослоистости и мягкости не представляют ценности в качестве строительного камня, но используются в производстве кирпича, черепицы, керамики и портландцемента.

Своей коммерческой ценностью глинистые сланцы обязаны прежде всего сланцеватости, которая обеспечивает четко выраженные плоскости раскалывания. Основные области их применения — кровельные работы, а также использование в виде так называемого «мельничного сырья» для санитарно-технических, строительных и электротехнических нужд. Небольшие объемы используются для изготовления надгробий, дорожного покрытия, сланцевой крошки для кровельных материалов, школьных грифельных досок, материалов для бильярдных столов и т. д. Цвет, тонкость сланцеватости и размер чешуек являются основными характеристиками, определяющими использование того или иного вида сланца. Добыча сланца ведется в десяти штатах, при этом основной объем производства приходится на Пенсильванию и Вермонт.

Полевые шпаты

Полевые шпаты — это минералы, а не горные породы, однако они упоминаются здесь, поскольку вместе с кварцем составляют подавляющую часть земных материалов. По оценкам, полевые шпаты составляют 50 процентов всех магматических пород и 16 процентов осадочных пород. Поскольку магматические породы встречаются гораздо чаще, чем осадочные, процентное содержание полевых шпатов в земной коре ближе к первой цифре, чем ко второй. В большинстве пород полевой шпат представлен слишком мелкими зернами и слишком тесно связан с другими минералами, чтобы иметь коммерческое значение; только в одном типе пород — пегматите, который является магматической породой с чрезвычайно крупнозернистой и неравномерной текстурой, — кристаллы полевого шпата достаточно велики и сконцентрированы, чтобы быть доступными для промышленного использования.

Полевой шпат используется главным образом в производстве керамики, фарфора, фаянса, эмалированной посуды, а также эмалированного кирпича и плитки. В составе этих изделий он применяется для снижения температуры плавления других ингредиентов и формирования прочной связи между их частицами. Его использование при создании глазури для керамических изделий также обусловлено низкой температурой плавления. Менее распространенное применение полевого шпата — в качестве абразива (глава XIII). Одна из разновидностей полевого шпата содержит около 15 процентов поташа, и из-за распространенности этого минерала проводилось много экспериментальных работ по определению возможности выделения поташа для нужд производства удобрений; однако из-за высокой стоимости этот источник поташа вряд ли в ближайшее время сможет конкурировать с солями поташа, уже сконцентрированными самой природой.

Полевой шпат добывается в одиннадцати штатах, но основной объем производства приходится на Северную Каролину и Мэн. Соединенные Штаты также импортируют некоторое количество полевого шпата из Канады.

Гидравлический цемент (включая портландцемент, натуральные и пуццолановые цементы)

Цемент — это промышленный продукт, изготавливаемый из известняка (или мергеля) и глины (или сланца). Иногда эти два вида веществ настолько сочетаются в природе (как в некоторых глинистых известняках), что они пригодны для производства цемента без искусственного смешивания. В данной книге мы не ставим целью обсуждать промышленные продукты; однако цементная промышленность предполагает столь простое преобразование сырья и настолько тесно локализована в зависимости от распределения сырьевых ресурсов, что упоминание некоторых ее выдающихся особенностей представляется целесообразным.

Гидравлический цемент используется почти исключительно в качестве строительного материала. Он является важнейшим компонентом бетона. Первоначально использовавшийся главным образом для скрепления кирпичной и каменной кладки, а также для фундаментных работ, он нашел широкое применение, особенно с внедрением железобетона. Он используется в дорожном строительстве, а его новейшее применение — в судостроении.

За исключением качественного топлива, сырье, необходимое для производства цемента, встречается практически повсеместно во всем мире. Хотя практически все страны производят некоторое количество цемента, зачастую натурального качества, только крупнейшие производители выпускают его в объемах, достаточных для собственных нужд, и в результате наблюдается значительное мировое движение этого товара. Мировая торговля ведется преимущественно портландцементом.

После Соединенных Штатов странами-производителями, имеющими наибольший экспортный излишек цемента в нормальных условиях, являются Германия и Великобритания. Франция и Бельгия до войны были крупными производителями и экспортерами, но война значительно снизила их производственные мощности на тот момент. Швеция, Дания, Австрия, Япония и Швейцария производят цемент в меньших масштабах, но имеют значительные излишки для экспорта. Италия и Испания имеют крупные производства, которые примерно соответствуют их собственным потребностям. Голландия и Россия импортируют большие объемы из других европейских стран. Дальневосточная торговля поглощает избыточное производство Японии. В Южной Африке и Австралазии производство почти равно спросу. В Канаде, хотя отрасль растет очень быстро, спрос все еще превышает производство. В Южной и Центральной Америке, Мексике и Вест-Индии спрос значителен и, вероятно, будет расти; производство до сих пор было недостаточным. В этих странах либо недавно завершено строительство, либо строятся несколько современных заводов, и на многие другие выданы концессии. Эти новые заводы в значительной степени финансируются американским капиталом.

Соединенные Штаты являются крупнейшим в мире производителем цемента, их годовое производство составляет около 45 процентов от мирового объема. Внутреннее потребление всегда было почти таким же высоким, как и производство, а экспорт обычно не превышал 4 процентов от общего объема поставок с заводов. Южная и Центральная Америка представляют собой рынки для экспорта цемента из Соединенных Штатов.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Описание геологических особенностей распространенных горных пород, используемых в коммерческих целях, потребовало бы написания целого трактата по геологии. Это основные материалы земной коры, и по ним мы читаем геологическую историю Земли. В предыдущих главах был дан краткий обзор относительной распространенности обычных земных материалов и процессов их образования. По сравнению с ними месторождения металлических руд являются лишь незначительными эпизодами в развитии этой огромной группы минеральных ресурсов.

В этом разделе будут упомянуты лишь некоторые свойства горных пород и другие геологические особенности, требующие первоочередного внимания при определении пригодности той или иной распространенной горной породы для коммерческого использования. Этот перечень весьма фрагментарен, поскольку областей применения так много и они настолько разнообразны, что описание всех геологических особенностей, важных с точки зрения всех видов использования, очень быстро вывело бы дискуссию далеко за рамки книги такого объема. [13]

Строительный камень

Для строительных камней основными геологическими особенностями, требующими внимания, являются структура, долговечность, красота и окраска.

Структуры горной породы включают трещиноватость, осадочную слоистость и вторичную сланцеватость. Почти все горные породы трещиноваты. Трещины могут быть открытыми и заметными или закрытыми и почти незаметными. Закрытые или начальные трещины создают плоскости ослабления, известные под разными названиями, такими как «рифт», «зерно» и т. д., которые в значительной степени определяют форму блоков, извлекаемых из карьера. При правильном распределении они могут облегчить добычу камня. В других случаях они могут быть вредными, ограничивая размер извлекаемых блоков и создавая каналы для агентов выветривания. Некоторые породы, обладающие в остальном хорошими качествами, настолько прорезаны трещинами, что бесполезны для чего-либо, кроме получения щебня. Плоскости напластования или слоистость осадочных пород оказывают влияние, аналогичное трещинам, и, подобно им, могут быть полезными или невыгодными в зависимости от их расположения. Вторичная сланцеватость некоторых пород, особенно глинистых сланцев, позволяет раскалывать их на плоские плиты, что делает их полезными для определенных целей.

Правильные методы добычи и использования горной породы могут минимизировать неблагоприятные эффекты ее структурных особенностей. Использование камнерезных машин вместо взрывчатых веществ означает меньшее разрушение породы. При правильной обработке поверхности можно избежать раскрытия мелких трещин. Слоистые породы, уложенные «по пласту», так что плоскости напластования расположены горизонтально, служат дольше, чем если их уложить «на ребро».

Долговечность горной породы может зависеть от ее проницаемости для воды, которая может проникать вдоль плоскостей напластования или начальных плоскостей разломов, либо через мельчайшие поры между минеральными частицами. Вода может вызывать катастрофические химические изменения в минералах, а при замерзании и оттаивании — приводить к раскалыванию. По этой причине менее проницаемые породы в целом обладают большей долговечностью, чем более проницаемые. Высокопроницаемые породы, используемые в сухих местах или в сухом климате, прослужат дольше, чем в других условиях.

Долговечность также определяется различными коэффициентами расширения минералов, составляющих породу. Там, где минералы неоднородны в этом отношении, дифференциальные напряжения возникают с большей вероятностью, чем там, где минералы однородны. Аналогичным образом, крупнозернистая порода в целом менее долговечна, чем мелкозернистая. Расширение и сжатие камня при обычных температурных изменениях, а также при воздействии огня и замерзании, должны быть известны для многих видов строительства.

Минералы по-разному сопротивляются выветриванию, поэтому минеральный состав породы является еще одним значительным фактором, определяющим ее долговечность. Там, где пирит присутствует в изобилии, он легко выветривается, оставляя окрашенные железом ямки и высвобождая серную кислоту, которая разлагает породу. Обилие слюды, особенно если она сконцентрирована вдоль плоскостей напластования, способствует легкому раскалыванию породы при выветривании. Аналогичным образом, слюда часто выветривается быстрее, чем окружающие минералы, придавая поверхности ямчатый вид; в мраморах и известняках ее неравномерное распределение может испортить внешний вид. Обилие кремня или черта вредно для известняков и мраморов, поскольку, будучи более устойчивым, он выступает в виде рельефа на выветренной поверхности, мешает гладкой резке и полировке и часто заставляет породу раскалываться вдоль линий кремневых конкреций. Обилие тремолита также может быть невыгодным для известняков и мраморов, поскольку он выветривается до зеленовато-желтой глины и оставляет ямчатую поверхность.

Предел прочности на сжатие горной породы имеет очевидную связь с ее использованием в строительстве. Порода должна быть достаточно прочной для заданной нагрузки. Большинство твердых пород, обычно рассматриваемых для строительных целей, достаточно прочны для нагрузок, которым они подвергаются, и этот фактор, пожалуй, обычно менее важен, чем уже упомянутые структурные и минеральные особенности.

Часто необходимо знать модуль упругости и другие механические константы горной породы, например, в случаях, когда она должна сочетаться с металлом или другой кладкой, либо подвергаться исключительным ударным нагрузкам.

Красота и окраска горной породы — это скорее ее эстетические, чем утилитарные характеристики. Они особенно важны при строительстве зданий и памятников для общественных или декоративных целей.

Щебень

Наибольшее использование горной породы или камня приходится на дробленую форму для дорожного строительства, железнодорожных насыпей и бетона, и в будущем ожидается значительное увеличение спроса на такие цели. Для дорожного строительства необходимо учитывать сопротивление камня истиранию, твердость, вязкость, цементирующую способность, поглощение и удельный вес. Известняк хорошо цементируется, но по другим качествам он нежелателен для интенсивного движения. Глинистые сланцы мягкие и глинистые, они истираются в массу, которая в сухую погоду становится сухой и порошкообразной, а в сырую — грязной. Базальт и родственные ему породы устойчивы к истиранию и хорошо цементируются. Граниты и другие крупнозернистые магматические породы плохо цементируются и не устойчивы к истиранию. Многие песчаники очень твердые и хрупкие, они устойчивы к истиранию, но не цементируются.

Применение геологии в широком масштабе для изучения источников и качеств щебня сейчас требуется в связи с крупными государственными и национальными проектами дорожного строительства. Эта работа отнюдь не ограничивается простым тестированием физических качеств дорожно-строительных материалов, найденных вдоль предполагаемого маршрута, но включает тщательное изучение их геологического залегания, распространения и вероятных объемов. В некоторых северных штатах для этой цели предпочтительны специалисты по ледниковой геологии.

Камень для металлургических целей

Использование известняка и других пород в качестве металлургических флюсов в значительной степени зависит от химического состава. Сравнительно немногие известняки достаточно чисты для этой цели. Для футеровки печей кварцит или ганистер должны быть исключительно чистыми. Поиск в полевых условиях пород необходимого состава требует геологического обслуживания.

Глина

Для разнообразных целей, в которых используется глина, необходимо знать степень ее пластичности, предел прочности на разрыв, усадку (как на воздухе, так и при обжиге), плавкость, цвет, удельный вес и химические свойства. Тестирование глины для различных возможных применений — это узкоспециализированная работа, обычно выходящая за рамки компетенции геолога, хотя некоторые геологи были лидерами в этом типе исследований. Чаще в сферу деятельности геолога входят вопросы, касающиеся происхождения, полевой классификации, распространения, количества и других геологических условий, влияющих на качество и добычу.

Глина образуется в результате выветривания обычных горных пород, содержащих силикаты, посредством довольно хорошо изученных процессов выветривания (см. главу II). Она может оставаться на месте над материнской породой или может быть перенесена и переотложена, либо на суше, либо под водой, под воздействием воздуха, воды и льда. Тип материнской породы, климатические условия и характер выветривания, а также степень сортировки во время транспортировки — все это определяет состав и текстуру образующейся глины, в результате чего классификация на основе происхождения может указывать на общие групповые характеристики, которые желательно знать для коммерческих целей. Например, остаточные глины от выветривания гранита могут быть в широком смысле противопоставлены остаточным глинам, образованным выветриванием известняка, и обе они отличаются по групповым характеристикам от глин в ледниковых отложениях. Классификация по происхождению также может быть полезна для указания общих особенностей глубины, количества и распространения. Однако генетическая классификация глин часто недостаточна для указания точных характеристик, которые необходимо знать при определении их пригодности для узких и специальных технических требований. Более того, глины, подходящие для определенных коммерческих требований, могут образовываться несколькими различными способами, и классификация, основанная на конкретных качествах, поэтому может вовсе не соответствовать геологической классификации, основанной на происхождении.

Геологи проявляли особый интерес к причинам пластичности глины и способу ее затвердевания при высыхании. В целом было установлено, что эти явления обусловлены содержанием коллоидных веществ глинистого характера, которые служат не только для удержания вещества вместе во время пластического течения, но и для связывания его при высыхании. Роль коллоидов в образовании глин, а также многих других минеральных продуктов, в настоящее время является вопросом, который подвергается интенсивному изучению.

Те же процессы, которые производят глину, при особых условиях производят железные руды, бокситы, зоны окисления многих сульфидных рудных тел и почвы, о чем упоминается на других страницах.

Ограничения геологической области в коммерческом исследовании обычных горных пород

В целом качества земных материалов, определяющие их пригодность для использования, лишь в незначительной степени являются теми качествами, которые геолог обычно рассматривает для целей картирования и описания. Обычная геологическая карта и отчет по району указывают на распространение и общую природу обычных горных пород, а также на степень их использования в качестве минеральных ресурсов. Однако редко добавляется достаточно точное описание, например, глины, чтобы позволить читателю определить, для каких из многих различных целей этот материал может быть использован. Разнообразие применений настолько велико, а технические требования для различных целей настолько разнообразны и изменчивы, что почти невозможно составить описание, которое было бы достаточно всеобъемлющим и в то же время достаточно точным, чтобы дать всю информацию, желательную для экономических целей. Если геолог заинтересован в раскрытии коммерческих возможностей сырьевых материалов района, он может выбрать некоторые из наиболее перспективных особенностей и подвергнуть их техническому анализу, необходимому для определения их пригодности для специальных целей. В этой фазе своей работы он может счесть необходимым заручиться сотрудничеством квалифицированных техников и лабораторий в различных специальных областях. Проблема упрощается, если геолог ищет конкретный материал для конкретной цели, ибо тогда он подкрепляет себя знанием конкретных необходимых качеств и направляет свое полевое и лабораторное исследование соответствующим образом.

Слишком часто геолог не осознает сложности и определенности требуемых качеств и делает заявления и рекомендации по использованию сырьевых материалов, основанные на довольно общих геологических наблюдениях. С другой стороны, инженер, производитель или строитель часто ошибается и тратит деньги без необходимости, не принимая во внимание общие геологические особенности, которые могут быть очень полезны при определении распространения, количества и общих характеристик необходимых сырьевых материалов.

Трудно провести грань между надлежащими областями деятельности геолога и областями инженера, металлурга и других техников. Весьма желательно, чтобы специалист в любой из этих областей знал по крайней мере о существовании других областей и что-то об их общей природе. Слишком часто его действия указывают на то, что он не остро осознает даже существование этих смежных отраслей знаний. Степень и детализация, с которыми геолог будет знакомиться с этими другими областями, конечно, будут варьироваться в зависимости от его подготовки и обстоятельств его работы. Каков бы ни был его предел, он должен быть четко осознан; его работа должна быть тщательной до этого предела, и его усилия не должны тратиться впустую в областях, которые он не является наиболее квалифицированным для исследования.

Эти замечания применимы довольно широко к минеральным ресурсам, но они особенно уместны в отношении обычных горных материалов, с которыми геолог имеет дело ежедневно, — ибо он склонен предполагать, что знает о них все и что он квалифицирован давать профессиональные советы отраслям, использующим их. В связи с металлическими ресурсами металлургические и другие технические требования, скорее всего, будут более четко осознаны, а границы — более резко очерчены, в результате чего геолог, возможно, не так склонен пускаться в проблемы, которые он не квалифицирован решать.

Пределы геологической работы, обсуждаемые здесь, не обязательно являются пределами, отделяющими научную работу от ненаучной. Изучение и определение качеств горных пород, необходимых для коммерческих целей, столь же научно, как и изучение качеств, обычно рассматриваемых в чисто геологической работе, и результаты технических коммерческих исследований могут быть весьма поучительными с чисто геологической точки зрения. Когда область научных изысканий установлена обычаем, любой выход за традиционные пределы почти наверняка будет рассматриваться консерваторами в этой области как ненаучный и будет восприниматься легкомысленно. Автор полностью осознает существование пределов и необходимость их признания; но он объяснил бы свою осторожность в превышении этих пределов соображениями подготовки и эффективности, а не страхом, что он станет «запятнанным» ненаучными вопросами в тот момент, когда выйдет за границы своей традиционной области.

ПОЧВЫ КАК МИНЕРАЛЬНЫЙ РЕСУРС

Почвы обычно не числятся в списке минеральных ресурсов; но как выветрелая и измененная горная порода, обладающая огромной экономической ценностью, они стоят почти во главе списка минеральных продуктов.

Происхождение почв

Почвы образуются из магматических, осадочных и «метаморфических» горных пород в результате процессов выветривания и смешивания измененных минеральных продуктов с разложившимися остатками растений или гумусом. Гумус в среднем составляет, возможно, 3 или 4 процента почвенной массы, а иногда достигает 75 процентов. Не всякая выветрелая горная порода является почвой в сельскохозяйственном смысле. Для этой цели термин в основном ограничивается верхними несколькими дюймами или футами, пронизанными корнями растений.

Общий процесс почвообразования составляет одну из важнейших фаз катаморфизма — разрушительной стороны метаморфического цикла, описанной в главе II. Процессы катаморфизма или выветривания, обычно сопровождающиеся образованием почв, затрагивают поверхностные горные породы практически на всех континентальных территориях.