Variations of physico-mechanical, mineralogical and geochemical properties of marble under the influence of weathering

Abstract

Purpose. To investigate the physico-mechanical, mineralogical and geochemical properties variations of Igbeti marble, south-western Nigeria under the influence of weathering. Methods. About twenty representative samples were collected at a varying depth up to a depth of 30 meters from the study area. The samples represented a group of unweathered, slightly weathered, moderately weathered and highly weathered rocks using weathering classification indices. Thin sections were prepared for textural and mineralogical studies of the rock samples. The chemical composition analyses of the rock samples were conducted using X-ray Fluorescence spectrometry (XRF). The physico-mechanical properties were also evaluated. Findings. The results showed that noticeable mineralogical and chemical changes occur in the rock fabric because of the increase in weathering state. The laboratory tests result also revealed that weathering reduces the strength of the rock. Originality. The transformation of physical and mechanical properties of rocks because of weathering is a major concern to the geotechnical engineers. These properties have been investigated by the researchers, but the majority of the available researches were conducted on weathered sedimentary and igneous rocks while that of metamorphic rock is very scarce. Hence, this study investigates the influence of weathering on physico-mechanical, mineralogical and geochemical properties of Igbeti marble, south-western Nigeria. Practical implications. The obtained results show that the transition of selected rock properties as a result of weathering would significantly affect slope stability and performance of the rock in engineering applications.

Мета. Вивчення змін фізико-механічних, мінералогічних і геохімічних властивостей мармуру родовища Ігбеті (південно-Західна Нігерія) під впливом вивітрювання. Методика. Було відібрано 20 репрезентативних зразків на різних глибинах залягання породи (максимум – 30 м) у районі родовища. У відповідності з класифікаційними індексами вивітрювання зразки були розділені на групи: невивітрені, слабо вивітрені, помірно вивітрені, сильно вивітрені. Було виготовлено тонкі стрічки для вивчення текстурних і мінералогічних характеристик. Аналіз хімічного складу зразків проводився із використанням рентгенофлуоресцентної спектрометрії (РФС). Також була проведена оцінка фізико-механічних властивостей зразків. Результати. Результати досліджень показали, що значні мінеральні та хімічні зміни у товщі породи пов’язані з наростанням впливу вивітрювання. Встановлено за даними лабораторних досліджень, що об’ємна щільність, суха щільність, суха та питома вага, збільшуються з підвищенням ступеня вивітрювання, проте зміст води/вологи, водопоглинання, пористість, міцність на одноосьове стиснення, міцність при точковому навантаженні, міцність на розтяг та твердість за Шмідтом зменшуються. Встановлено зв’язок кількості домінуючих компонентів (кальцит і доломит) та інших силікатних і несилікатних мінералів зі ступенем вивітрювання. Наукова новизна. Для умов родовища Ігбеті виявлено характер та особливості впливу ступеня вивітрювання на зміну фізико-механічних і геохімічних властивостей мармурових порід метаморфічного типу, у той час як попередні дослідження присвячені осадовим та магматичним породам. Практична значимість. Результати досліджень необхідно враховувати в архітектурному та інженерному використанні у різних кліматичних зонах. Поняття впливу вивітрювання на властивості гірських порід є важливим критерієм для визначення глибини розробки, конструкції похилого схилу, методу, простоти видобутку та напрямів використання мармуру, що дозволить зменшити вартість і поліпшити роботи з розвідки й видобування.

Цель. Изучение изменения физико-механических, минералогических и геохимических свойств мрамора месторождения Игбети (Юго-Западная Нигерия) под влиянием выветривания. Методика. Было отобрано 20 репрезентативных образцов на различных глубинах залегания породы (максимум – 30 м) в районе месторождения. В соответствии с классификационными индексами выветривания образцы были разделены на группы: невыветренные, слабо выветренные, умеренно выветренные, сильно выветренные. Были изготовлены тонкие срезы для изучения текстурных и минералогических характеристик образцов. Анализ химического состава образцов проводился с использованием рентгенофлуоресцентной спектрометрии (РФС). Была также проведена оценка физико-механических свойств образцов. Результаты. Результаты исследований показали, что значительные минералогические и химические изменения в толще породы связаны с нарастающим влиянием выветривания. Установлено по данным лабораторных исследований, что объемная плотность, сухая плотность, сухой вес и удельный вес увеличиваются с увеличением степени выветривания, а содержание воды/влаги, водопоглощение, пористость, прочность на одноосное сжатие, прочность при точечной нагрузке, прочность на растяжение и твердость по Шмидту уменьшаются. Установлена связь количества доминирующих компонентов (кальцит и доломит) и других силикатных и несиликатных минералов со степенью выветривания. Научная новизна. Для условий месторождения Игбети выявлен характер и особенности влияния степени выветривания на изменение физико-механических и геохимических свойств мраморных пород метаморфического типа, в то время как предыдущие исследования посвящены осадочным и магматическим типам пород. Практическая значимость. Результаты исследований необходимо учитывать в архитектурном и инженерном использовании в разных климатических зонах. Понимание влияния выветривания на свойства горных пород является важным критерием для определения глубины разработки, конструкции наклонного склона, метода, простоты добычи и направлений использования мрамора, что в итоге позволит снизить стоимость и облегчить работу по разведке и выемке.