Efecto de las variaciones mineralógicas sobre la física.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10320 (2023) Citar este artículo

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El presente estudio tiene como objetivo explicar los detalles geoquímicos y mineralógicos de los tipos de rocas graníticas en el área de Gabal EL-Faliq, desierto del sudeste de Egipto, en relación con la ingeniería geotécnica y su idoneidad como piedras dimensionales. El objetivo de la presente investigación se logró a través de dos pasos; el primer paso implicó estudios geológicos como las investigaciones petrográficas, geoquímicas y mineralógicas. El segundo paso, aplicable, implicó la evaluación geotécnica de las rocas estudiadas midiendo sus propiedades de ingeniería, como las propiedades físicas, mecánicas y de expansión térmica. La investigación petrográfica reveló que las rocas graníticas estudiadas se dividen en dos clases principales: (1) granitos gneisosos (biotita-pertita) de tamaño de grano medio a fino y (2) granitos alcalinos-feldespáticos de tamaño de grano grueso a medio. Mineralógicamente, las rocas estudiadas están compuestas principalmente por albita, ortoclasa y cuarzo en proporciones variables, junto con algunos minerales accesorios como apatita y rutilo, además de algunas cantidades menores de minerales del grupo del hierro como hematita e ilmenita. Las propiedades de ingeniería mostraron que los valores máximos de absorción de agua y porosidad aparente son 0,34% y 0,77%, respectivamente, mientras que la densidad aparente mínima es 2604,03 kg/m3. La resistencia a la compresión varía de 999,68 a 2469,10 kg/cm2, mientras que la resistencia a la abrasión varía de 29,67 a 54,64 Ha. El aumento del contenido de albita provocó un aumento de la absorción de agua y una disminución de la densidad aparente y la resistencia a la compresión. El aumento del tamaño de grano provocó un aumento de la porosidad aparente y una disminución de las propiedades mecánicas. Se produce una gran variación en el coeficiente de expansión, así como en el cambio de longitud, bajo cambios de temperatura, composición mineral y propiedades físicas. El aumento de las temperaturas de calentamiento provocó un aumento insignificante en la expansión térmica lineal con un valor máximo de 0,0385% a 100 °C. Estos resultados indicaron la idoneidad de los granitos estudiados como piedras dimensionales para su uso con fines decorativos interiores y exteriores (revestimientos/pavimentos) en condiciones de temperatura variable.

Las piedras dimensionales son cualquier tipo de piedra natural o producto de roca, excluidos todos los materiales artificiales que simulen la piedra, que pueden cortarse para obtener elementos que tengan formas o tamaños geométricos bien determinados y que satisfagan los requisitos normales de capacidad de pulido, color, textura y superficie. acabado para ser utilizado como material de construcción y ornamental, como revestimiento de edificios, adoquines, bordillos, monumentos y memoriales, y otros productos industriales1,2,3,4,5. Por tanto, la clasificación de las piedras naturales como piedras dimensionales se rige por su apariencia y dimensiones, que son los dos criterios principales. Además, las piedras dimensionales deben satisfacer la fuerza, la capacidad de pulido y la resistencia a la intemperie física y química6.

Las rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias son las tres categorías principales de piedras naturales según su origen y son ampliamente utilizadas en todo el mundo en muchas aplicaciones, como piedras dimensionales, debido a la gran variedad de sus apariencias además de su alta compacidad y durabilidad. que permitieron su uso en pavimentos, revestimientos, pavimentos, monumentos funerarios y estatuas7. Las piedras naturales son el material más utilizado en construcciones patrimoniales antiguas como pirámides, castillos y palacios. El uso de piedras de dimensión en las construcciones tradicionales está estrechamente relacionado con la distribución de los afloramientos rocosos8.

Según (ASTM C119) 1, las piedras dimensionales se clasificaron en varios grupos, incluidos granito, piedra caliza, mármol, cuarzo (cuarcita) y pizarra, además de otras piedras dimensionales como el alabastro y la serpentina. Sin embargo, los dos grupos más comunes de piedras de dimensiones naturales son los grupos de mármol o materiales calcáreos y los grupos de materiales graníticos o silíceos, además de otros tipos de piedras como la cuarcita y la pizarra3,4. El primer grupo (mármol) comprende toda la clase de rocas carbonatadas, compuestas normalmente por calcita y dolomita y susceptibles de ser aserradas y pulidas, fuera de los límites de la mera caracterización litológica3,9. Su composición varía desde piedras de carbonato puro hasta aquellas que contienen muy poco carbonato y que comercialmente se clasifican como mármol (mármol serpentino)1. El segundo grupo común (granito) comprende, en una definición comercial, todo el conjunto de rocas eruptivas o ígneas que tienen estructura granular y composición polimineral, independientemente del contenido de cuarzo3.

La producción de piedras dimensionales está aumentando rápidamente como resultado de la expansión masiva de los proyectos de construcción debido al continuo aumento de la población. La producción neta mundial de piedras dimensionales alcanzó alrededor de ciento cincuenta millones de toneladas en 2017 por parte de 27 países10, con una participación importante de alrededor del 72% entre China, India, Turquía, Irán e Italia6,11.

A nivel local, Egipto se distingue por una amplia distribución de diferentes tipos de piedras naturales de más de cincuenta marcas que pueden utilizarse como piedras ornamentales y dimensionales12,13. Por lo tanto, Egipto ocupó el séptimo lugar en el mundo en la producción de piedras dimensionales14 con un volumen de producción de aproximadamente 5,25 millones de toneladas con una participación global del 4%, como se menciona en el Informe Montani 201810.

En Egipto, las intrusiones graníticas constituyen alrededor del 60% del total de rocas neoproterozoicas15,16. Se atribuyen a granitoides altamente fraccionados sinorogénicos calco-alcalinos, postorogénicos tardíos y rocas graníticas alcalinas postorogénicas7,17. Además, estas intrusiones incorporan granitos grises, blancos, rosados ​​y rojos18. La generación de tales rocas graníticas fue propuesta por dos posibles mecanismos: el primer mecanismo es la diferenciación del magma (cristalización fraccionada o asimilación) del derretimiento basáltico derivado del manto, mientras que el segundo mecanismo propuesto es el derretimiento parcial de rocas de la corteza terrestre (ígneas máficas-ácidas o sedimentarias). rocas). Las rocas graníticas atrajeron la atención de muchos autores debido a su amplia exposición y composición, buena apariencia y alojamiento económico de importantes metales de tierras raras como Nb, Ta, U, Th, Zr, Sn y W7,19,20,21. .

Según (Alzahrani et al. 2022)7, la variación en la composición mineralógica y química de las rocas graníticas resultó en una variación en sus comportamientos de expansión térmica y reflectancia espectral además de sus propiedades físicas y mecánicas. Afirmaron que las rocas graníticas con bajo contenido de óxido de hierro tienen una alta reflexión espectral en las regiones espectrales (VIS-NIR) y (SWIR). Además, las rocas graníticas de alto contenido de hierro y/o bajo contenido de cuarzo revelaron un alto desempeño físico y mecánico.

Según (Siegesmund et al. 2018)22, la expansión térmica es una propiedad física, que ocurre bajo el cambio en la temperatura de todos los materiales, donde la mayoría de los materiales al calentarse y enfriarse se expanden y contraen; respectivamente. En materiales térmicamente sensibles, los cambios de temperatura provocan una alteración pronunciada que se conoce como meteorización física o mecánica. Aunque la extensión relativamente pequeña de la expansión térmica con sus efectos menores sobre el cambio de volumen y la densidad aparente de las rocas, las variaciones en las características de la expansión térmica de diferentes minerales en el conjunto de granos minerales pueden causar daños estructurales al calentar la roca. Una de las causas del deterioro de las rocas es la expansión térmica. Esto se debe a que la conductividad térmica de las rocas graníticas es mala, y como la acción térmica sobre la superficie de la roca es más intensa que en su interior, se desarrollan tensiones que provocan la formación de grietas en la superficie exterior de la roca23.

Los estudios térmicos en rocas graníticas recolectadas en las regiones del Himalaya y el escudo peninsular en la India revelaron que la composición mineral, la orientación del grano, la porosidad de las grietas, la tasa de calentamiento y el ciclo térmico tienen un gran efecto sobre el coeficiente de expansión térmica lineal de los granitos24.

Plevova et al. (2016)25 aplicaron varias investigaciones térmicas (DTA, TG, TMA, αH), mineralógicas y petrográficas en seis muestras de rocas graníticas de tres países. Observaron una relativa similitud en los valores de expansión térmica, mientras que una pequeña diferencia en las formas de sus curvas TMA. Atribuyeron tales diferencias a su contenido de cuarzo y feldespato, a la cristalinidad de feldespato y a la proporción de anortita y albita en las rocas de granito.

Las variaciones en los coeficientes de expansión térmica de los minerales formadores de rocas individuales, así como la estructura de la roca, se consideran parámetros importantes de los que depende la expansión térmica de una roca Ref.22. Investigaron el efecto de la temperatura (hasta 120 °C), así como la composición mineralógica, sobre las propiedades térmicas de varias rocas granitoides. Observaron coeficientes de expansión térmica mucho más altos en las rocas granitoides ricas en cuarzo en comparación con las ricas en feldespato potásico o plagioclasa. Sin embargo, el aporte de minerales de biotita y hornblenda modifica la expansión térmica de toda la roca.

Hay varios factores que influyen en el grado de expansión térmica de las rocas, como su composición mineralógica (especialmente el contenido de cuarzo y calcita), la orientación (estructura) de los cristales, además de su grado de porosidad23. Determinaron los coeficientes de expansión térmica lineal de algunas rocas graníticas brasileñas utilizadas comercialmente como revestimiento de edificios dentro de un rango de temperatura de 0 a 50 °C y compararon estos valores con el contenido de cuarzo, la porosidad aparente y el tamaño de grano de las rocas estudiadas. Observaron que el aumento del contenido de cuarzo de las rocas graníticas conducía a un aumento de los valores de su coeficiente térmico. Por otro lado, se observó una disminución en el coeficiente térmico al aumentar la porosidad aparente y el tamaño de grano.

Los constituyentes minerales, el tamaño de grano, la textura y el grado de alteración de las rocas son los principales factores que afectan las propiedades de ingeniería y el desempeño de durabilidad o la tasa de degradabilidad de las piedras26,27,28,29,30,31,32. Hemmati et al. (2020)29 estudiaron el efecto de la mineralogía y la textura de diferentes rocas ígneas cristalinas en sus propiedades resistentes y encontraron una relación entre la resistencia a la compresión y a la tracción de las rocas ígneas estudiadas y su relación de tamaño cuarzo/feldespato. El efecto de los cambios de temperatura sobre las propiedades físicas y mecánicas de las piedras dimensionales, especialmente las rocas ígneas, es muy obvio debido a su amplia composición mineralógica que exhibe una variación térmica variable bajo diferentes grados de temperatura33.

Otros estudios han abordado las características petrográficas de los agregados pétreos, como el grado de alteración, la composición mineral y la textura de la piedra, y sus efectos sobre la durabilidad del hormigón34,35. Descubrieron que la resistencia final de las muestras de hormigón se veía afectada por la mineralogía y la microestructura de los agregados gruesos.

A pesar de la abundancia de rocas ígneas intrusivas en la zona de Gebel El-Faliq, desierto del sudeste de Egipto, con grandes variaciones en sus colores y tipos, no se han realizado estudios sobre las rocas graníticas de esta zona relacionados con su idoneidad como piedras de dimensión. . Además, los cambios climáticos globales acompañados del aumento de las temperaturas pueden tener un gran impacto en las propiedades técnicas de estas rocas. Por lo tanto, el objetivo principal de la presente investigación estuvo dirigido a evaluar el comportamiento térmico y algunas propiedades de ingeniería de diferentes variedades de rocas graníticas neoproterozoicas ubicadas en el área de Gebel El-Faliq, desierto del sudeste, Egipto, y su idoneidad como piedras dimensionales para su uso. en aplicaciones de revestimiento y suelo. Además, también se estudió la influencia de las composiciones mineralógicas y químicas de las diferentes rocas graníticas sobre sus propiedades térmicas y técnicas. Además, los resultados de las propiedades de ingeniería de las rocas graníticas estudiadas se compararon con las especificaciones estándar internacionales relacionadas con piedras ornamentales (dimensionadas). Para lograr los objetivos antes mencionados, se realizaron diversos análisis e investigaciones sobre los tipos de rocas recolectadas como análisis elemental por fluorescencia de rayos X (XRF), examen petrográfico por microscopio de luz polarizante, coeficiente de expansión térmica por dilatómetro, además de medir algunas propiedades de ingeniería como propiedades físicas (porosidad aparente, absorción de agua y densidad aparente) y propiedades mecánicas (resistencia a la compresión, resistencia a la abrasión) de acuerdo con los métodos de prueba estándar internacionales (ASTM).

Las rocas neoproterozoicas egipcias están bien expuestas paralelas al Mar Rojo (desierto oriental), al sur del Sinaí y al área de Uwainato, territorio norte del Escudo Árabe Nubio (ANS). ANS representa una corteza bien juvenil, que se forma por acreción de arco, seguida de un engrosamiento y cierre de la corteza del Océano de Mozambique17,36,37,38,39,40,41. La evolución de los ANS está involucrada por grandes intrusiones graníticas con una amplia diversidad de regímenes mineralógicos y tectónicos7,17,20. Gebal El Faliq está delimitado por la latitud 24° 36' y 24° 37' N y la longitud 34° 28' y 34° 33' E y cubre ~10 km2 (Fig. 1). Se ubica en el suroeste de Wadi Ghadir-Hafafit, desierto del sudeste de Egipto. Rocas miloníticas, ofiolíticas ultramáficas, granitos más jóvenes y diques posgraníticos y pegmatitas son las principales rocas que afloran en el área investigada. El bajo relieve de rocas miloníticas está expuesto en el lado noroeste de los granitos más jóvenes de Gabal El Faliq. Las rocas ofiolíticas, al estar ampliamente distribuidas en el Desierto Oriental (lados central y sur)17,42,43, cubren la mayor parte del área examinada, las cuales están representadas por dunitas (o peridotitas)44 y rocas melange45. Gabal El Faliq está representado por rocas graníticas más jóvenes con láminas alargadas a lo largo de la tendencia NO-SE, ciertamente a lo largo de Wadi Abu Gherban. Revelan un relieve de topografía baja a moderada (664 m sobre el nivel del mar) representado por monzogranitos y granitos de feldespato alcalino45. Están disecados por numerosas fallas (la falla de deslizamiento de rumbo sinistral es una falla importante), por lo tanto, la textura cizallada y gneisosa están bien expuestas, particularmente a lo largo de la zona de cizalla y los planos de falla. Son inyectados por diques básicos y pegmatitas con dirección principal NO-SE. Algunas de estas pegmatitas con anchos y longitudes variables están enriquecidas con metales raros, como Zr, Nb, Ta, Th, U y REE44. Además, poseen xenolitos de las rocas circundantes, ciertamente a lo largo de sus márgenes. Se observan algunas características de alteración, como hematización y caolinización, particularmente a lo largo de la zona de corte y los planos de falla.

Mapa geológico del área de Gabal El Faliq (modificado después: Mahmoud 201944; Saleh et al. 201445).

Según (Global Carbon Project, 2021), Egipto representa solo el 0,6 por ciento de las emisiones globales anuales de dióxido de carbono (CO2), sin embargo, se está convirtiendo en uno de los países más afectados por patrones climáticos extremos46. Eid et al.47 analizaron los valores mensuales, estacionales y anuales de temperatura en Egipto durante el período 1960-2016. Descubrieron que las diferencias entre los valores de temperatura media en el norte y el sur de Egipto se miden en 5 °C, 8 °C, 9 °C y 6 °C en invierno, primavera, verano y otoño; respectivamente. Descubrieron que la diferencia entre los valores de la temperatura media anual en el norte y el sur de Egipto es de aproximadamente 7,5 °C.

En cuanto a la precipitación total anual, Nashwan y Shahid48 ofrecen una visión futura de los cambios en la cantidad y las características de la precipitación en Egipto hacia finales de siglo. Revelaron un aumento de las precipitaciones anuales de hasta un 54%, principalmente en el norte, con una disminución de las precipitaciones invernales de un 35%. Markus et al.49 afirmaron que el mapa de clasificación climática más utilizado es el de Wladimir Köppen, presentado en su último informe. versión 1961 de Rudolf Geiger. Se utiliza para indicar diferentes regiones climáticas de la Tierra según la vegetación local.

Para la investigación actual, se recolectaron siete rocas ígneas intrusivas, de un tipo granítico más joven, del área de estudio de Gabal El-Faliq, como se muestra en la (Fig. 2). La diferencia en el muestreo de tipos de rocas se basó en la variación de color (debido a la variación en la composición mineral) y textura (debido a la variación en el tamaño y orientación del grano) del espécimen manual. Algunas muestras representativas se pulieron para ilustración visual como se muestra en (Fig. 3). Con respecto a la preparación de las muestras, cada tipo de roca granítica se dividió en tres formas de la siguiente manera: dos muestras cilíndricas con dimensiones de 20 mm de largo y 5 mm de diámetro, seis muestras cúbicas con dimensiones de 50 x 50 x 50 mm, y tres ejemplares con dimensiones de 50 mm cuadrados y 25 mm de espesor. Las muestras de roca gneisosa se cortaron perpendicularmente a la orientación de su grano.

Fotografías que muestran ejemplares de mano de diferentes tipos de rocas graníticas de Gabal El Faliq.

Fotografías que muestran la superficie pulida de tipos seleccionados de rocas graníticas.

Las rocas graníticas recolectadas de diferentes tipos se configuraron para análisis elemental mediante molienda y tamizado con un tamaño de tamiz de 74 µm y luego se secaron en un horno secador a 105 ± 5 °C durante la noche para una sequedad completa. Parte de cada muestra preparada se encendió a 1000 °C para medir el % de pérdida por ignición (LOI) siguiendo el método de prueba estándar (ASTM E-1621). Los elementos mayoritarios y traza de las muestras de roca preparadas se midieron en el Centro Nacional de Investigación (NRC), utilizando fluorescencia de rayos X (XRF), Axios, PANalytical 2005 con espectrómetro secuencial WD-XRF. Con base en el análisis XRF, la composición mineral normativa de las rocas graníticas estudiadas se calculó utilizando (método normativo CIPW) según (Streckeisen 1976)50.

Para identificar los minerales formadores de rocas, la textura de los granos y los índices de alteración o deformación utilizando un microscopio de luz polarizada (análisis petrográfico), se prepararon secciones delgadas de los tipos de rocas cortando en losas de unos pocos milímetros de espesor utilizando una máquina cortadora de rocas con una sierra de diamante. , pulido con una máquina rectificadora rotativa y luego montado sobre un portaobjetos de vidrio con bálsamo de Canadá y molido suavemente con un grano abrasivo progresivamente más fino hasta que la muestra alcance una rebanada delgada de aproximadamente 0,03 mm de espesor.

Las rocas graníticas estudiadas fueron evaluadas geotécnicamente en términos de 1) propiedades físicas como absorción de agua, porosidad aparente y densidad aparente, 2) propiedades mecánicas como resistencia a la compresión y resistencia a la abrasión según (ASTM C615)51. Las muestras se cortaron usando una máquina cortadora de rocas en dos dimensiones de la siguiente manera: (a) 50 × 50 × 50 mm para medir la absorción de agua y la densidad aparente según (ASTM C97)52 y la resistencia a la compresión según (ASTM C170)53. (b) 50 × 50 × 25 mm para medir la resistencia a la abrasión según (ASTM C241)54. Las muestras de roca se cortaron a medida y se midieron sus propiedades físicas y mecánicas en el laboratorio de pruebas de mármol y granito (MGTL) del Centro Nacional de Investigación (NRC).

La absorción de agua, la densidad aparente, la densidad aparente seca y la densidad aparente seca de la superficie saturada se calcularon con las siguientes ecuaciones:

La resistencia a la compresión se calcula según la ecuación:

Las muestras de roca de forma cilíndrica de alrededor de 20 mm de longitud y 5 mm de diámetro se utilizaron para medir los coeficientes de expansión térmica lineal (α) y el cambio de longitud (deformación térmica) (dL/Lo) mediante calentamiento gradual a una velocidad de 5 °C. / min hasta 1000 °C utilizando un instrumento Dilatómetro (modelo NETZSCH DIL 402 PC). La prueba se llevó a cabo en el laboratorio central del instituto en el Centro Nacional de Investigación (NRC).

Este artículo no contiene ningún estudio con participantes humanos o animales realizado por ninguno de los autores.

Se acepta que todos los autores figuren como autores en la versión actual del manuscrito.

El examen petrográfico de las rocas graníticas de Gabal El Faliq se realizó utilizando un microscopio polarizador para identificar sus constituyentes mineralógicos y características texturales para revelar algunos atributos importantes que afectaban a estas rocas. Según la composición mineralógica y la principal relación textural, las rocas graníticas de Gabal El Faliq se dividen en dos grandes tipos: granitos gneisosos y granitos de feldespato alcalino según la clasificación IUGS50. El tipo gneisoso (de textura principalmente porfirítica y tipo cristales alargados), incluye los tipos de roca F1, F2 y F3, mientras que el tipo feldespato alcalino (texturas hipidiomórficas y raramente porfiríticas), posee roca de grano grueso tipo F4 y roca de grano medio. tipos F5, F6 y F7. Todas las muestras se investigan de la siguiente manera:

Las muestras de este tipo están compuestas principalmente de plagioclasa, cuarzo, feldespato potásico y minerales subordinados menores de biotita. La plagioclasa se presenta como cristales de fenocristales cubiertos por cuarzo de grano fino y biotita formando una textura porfirítica (Fig. 4a). Se presenta como cristales de grano medio, revela saussuritización de alteración extensa y exhibe macla laminar, zonificada y de Carlsbad. Está encerrando poiquilíticamente clorito de grano fino. Los feldespatos potásicos están representados por pertita y rara vez por microclina. La pertita revela un xenomorfo de tipo parcheado que envuelve principalmente a la plagioclasa. El cuarzo varía de cristales de grano medio a fino. Muestra una clara extensión ondulada debido a procesos de deformación. Por lo general, se presenta como cristales alargados (Fig. 4b). La biotita se presenta como cristales escamosos de grano fino (trozos) que están parcial o completamente alterados a clorita. Las texturas principales de este tipo de roca son las texturas mirmequíticas y porfídicas.

Las fotomicrografías revelan: (a) fenocristales altamente sausuritizados rodeados de cuarzo de grano fino y plagioclasa (F1); (b) Cristales alargados de cuarzo y pertita como resultado de procesos de deformación (F1); (c) Fenocristales de pertita altamente deformados, alargados y fracturados rodeados por cuarzo de grano de aleta (F2); (d) Fenocristales de pertita rodeados de cuarzo de grano fino y pertita formando textura porfirítica (F2); (e) Cristales de grano fino de cuarzo y feldespato alargados (F3); y (f) fenocristales de pertita que encierran plagioclasa de grano fino que producen una textura poiquiolítica (F3).

Los ejemplares de este tipo son de grano medio y de color rosa en la mano. Se compone principalmente de feldespato potásico, cuarzo y minerales menores de plagioclasa subordinados. Los feldespatos potásicos están representados por pertita (con una clara forma de gusano) de tipo flamígero que está mayormente fracturada y llena de cuarzo secundario (Fig. 4c). Comúnmente se presenta como fenocristales rodeados de cuarzo de grano fino formando una textura porfirítica. La microclina es rara y existe como cristales de grano fino (Fig. 4d). Los cuarzos varían de cristales finos a medianos con una clara extensión ondulada debido a procesos de deformación. La plagioclasa es rara y se presenta principalmente en forma de grano fino. Revela una extensa saussuritización. La alanita y el circón son los principales minerales accesorios. El circón se presenta como cristales de metameto euhédricos. La alanita se presenta como cristales tabulares zonados de color marrón.

Las muestras de este tipo están compuestas esencialmente de plagioclasa, cuarzo, feldespato potásico y minerales subordinados menores de biotita. La plagioclasa se presenta como cristales de fenocristales cubiertos por cuarzo de grano fino que forma una textura porfirítica. Se presenta como cristales alargados, de grano medio, y exhibe macla laminar, de Carlsbad y zonal. Es cuarzo de grano fino que encierra poiquilíticamente. Presenta una superficie turbia debido a una saussuritización ligeramente o extensa. El cuarzo existe como cristales de grano fino con extensión ondulada. Comúnmente, el cuarzo es alargado formando una textura de gneisosa (Fig. 4e). Los feldespatos potásicos están representados por pertita y microclina. La pertita existe como fenocristales que en su mayoría incluyen plagioclasa de grano fino (Fig. 4f). Revelan una extensa superficie turbia debido a procesos de caolinitización. La biotita se presenta en forma de cristales escamosos alargados y de grano fino. Las texturas principales de esta roca son las texturas mirmequítica y porfídica.

En este tipo de roca, los feldespatos potásicos, el cuarzo, la plagioclasa y la moscovita son los principales minerales esenciales. La ortoclasa pertita y la antipertita son los principales minerales de feldespato potásico (Fig. 5a y b). Ocasionalmente se fractura y se llena de óxidos de hierro. Ocasionalmente, antipertita que encierra minerales de plagioclasa de grano fino. El cuarzo existe en forma de grano medio a grueso que exhibe una extensión tanto normal como ondulada. Los cristales tabulares de plagioclasa son sausurita parcial o completamente alterada. La biotita se presenta como cristales escamosos de grano fino que se presentan principalmente como minerales en racimos. Está alterado a clorito y teñido con óxidos de hierro, ciertamente a lo largo de su periferia.

Las fotomicrografías revelan: (a) fenocristales de antipertita que encierran plagioclasa sausuritizada (F4); (b) pertita ortoclasa de grano grueso (F4); (c) Pertita de ortoclasa de grano grueso fracturada que se llenó con cuarzo secundario (F7); (d) Amplia superficie turbia de cristales de plagioclasa (F6); (e) Forma piramidal de cristal de pertita rodeado de sericita (F6); y (f) Euédrico de cristal de cuarzo esquelético (F5).

Se compone principalmente de feldespato potásico, cuarzo y plagioclasa, mientras que el circón y el óxido de hierro son los principales minerales accesorios. La ortoclasa-pertita y la microclina son los principales minerales de feldespato potásico. Revelan una superficie ligeramente turbia como resultado de procesos de caolinización. Se observan bordes de reacción entre dos cristales de pertita. Ocasionalmente, la ortoclasa-pertita se presenta como fenocristales incrustados en cristales de cuarzo y plagioclasa de grano fino (Fig. 5c). A veces se presentan en forma de pirámide cubierta por fragmentos de sericita (Fig. 5e). Están fracturados y llenos de cuarzo secundario. La plagioclasa se presenta como cristales prismáticos con una superficie clara, extensa y turbia (Fig. 5d). Presenta macla periclina y laminar. El cuarzo revela una extensión ondulada y se presenta como fenocristales esqueléticos anédricos a subédricos que forman una textura porfirítica (Fig. 5f). Los cristales escamosos de biotita están parcialmente alterados a clorita. Se produjo un alto relieve de cristales de circón euhédrico. El resumen de la descripción petrográfica de los diferentes tipos de rocas graníticas se presentó en la Tabla 1.

La descripción petrográfica de los granitos estudiados exhibió efectos de deformación expresados ​​como fragmentación de cristales de cuarzo y plagioclasa. Además, las propiedades físico-mecánicas también pueden verse afectadas por los procesos de alteración, como la sausuritización y la formación de clorita, así como la deformación de los cristales.

Se analizaron químicamente veintiún muestras de siete tipos de rocas plutónicas del área de Gabal El Faliq para detectar óxidos principales (%) y oligoelementos (ppm) y se enumeraron en las Tablas 2 y 3. A partir de estas tablas, se observa que las rocas examinadas exhiben una amplia variación en sus composiciones químicas.

Las características geoquímicas de la intrusión granítica de Gabal El Faliq fueron investigadas previamente45. Esta sección se ocupa de la composición geoquímica de las rocas graníticas variables del área de Gabal El Faliq. Los principales óxidos y oligoelementos de los tipos de rocas estudiados se analizaron mediante XRF y los resultados se enumeran en las Tablas 2 y 3.

De la Tabla 2 se desprende que las rocas estudiadas muestran una amplia variación en su composición química. El contenido de SiO2 varía de 71,34 a 77,73 % (promedio 73,49 %), Al2O3 varía de 11,85 a 14,66 % (promedio 13,79 %), el Fe2O3T total varía de 1,38 a 3,21 % (promedio 2,04 %), y el contenido total de álcalis (K2O+Na2O) oscila entre 5,77 y 11,22 % (promedio 8,5 %).

En cuanto al tipo de roca granítica (F2), exhibió el mayor contenido de sílice (promedio 76,22), mientras que el menor contenido de alúmina (promedio 12,45) en relación con otras rocas del área de investigación. Sin embargo, según el examen petrográfico, este tipo de roca se clasifica como granito gneisoso (debido a las deformaciones exteriores). Además, debido a su componente mineralógico, este tipo es relativamente fresco (la plagioclasa revela saussuritización). Por lo tanto, su composición química puede atribuirse a un fraccionamiento altamente feldespático.

Se pueden utilizar diagramas de discriminación variable para clasificar las rocas graníticas estudiadas del área de Gabal El Faliq. En términos del diagrama R1-R255, todas las muestras de roca (F2, F5, F6 y F7) se ubican en el campo de granitos alcalinos, excepto las muestras (F1 y F3) y se trazan en el campo de granito (Fig. 6a). Otras limitaciones, basadas en el diagrama ternario Ab-Or-An50, las muestras (F1 y F3) se encuentran dentro del campo de sienogranito, mientras que otras ocupan el campo de granito alcalino-feldespato (Fig. 6b).

Diagramas geoquímicos de rocas graníticas de Gabal El Faliq: (a) diagrama R1-R2 de (De la Roche et al., 1980)55; (b) diagrama normativo Ab-Or-An de (Streckeisen, 1976)50; (c) Diagrama ternario AFM de (Irvine y Baragar, 1971)56 y (d) Diagrama binario ACNK vs. ANK de (Shand, 1951)57.

Es notable que las muestras de roca examinadas tienen una afinidad calco-alcalina (Fig. 6c) según el diagrama AFM (Na2O+K2O-Fe2O3T-MgO)56. Además, su firma calcoalcalina es sugerida por su índice agpaítico (AI) <0,87. Además, revelaron "afinidad peraluminosa" como lo indica el índice de saturación de alúmina (ASI), donde A/CNK > 1,1. Esto está respaldado por el diagrama binario A/CNK-A/NK57 (Fig. 6d).

Por otro lado, las muestras examinadas de intrusión granítica de Gabal El Faliq exhiben una amplia variación de las muestras (F1 y F3) (senogranitos) que están enriquecidas con biotita y plagioclasa en relación con otras muestras. Se observa que están enriquecidos con Sr (promedio 159,5 ppm) y Ba (promedio 298,5 ppm) con respecto al valor medio (promedio 24,44 ppm para Sr y 109 para Ba) de las otras muestras (F 2, 4 , 5, 6 y 7). Los elementos multitraza están normalizados al manto primitivo58 (Fig. 7a). Exhiben fuertes anomalías negativas de K, Ba, Sr y Ti, lo que refleja una cristalización altamente fraccionada de feldespatos y minerales de titanita. Controvertidamente, revelan anomalías positivas de Rb, Pb, Zr e Y.

Diagramas geoquímicos de rocas graníticas de Gabal El Faliq: (a) Elementos multitraza normalizados al manto primitivo por (Sun y McDonough 1989)56,58; (b) diagramas binarios de Zr vs. 104Ga/Al de (Whalen et al. 1987)59; (c) Diagrama binario Nb + Y vs. Rb de (Pearce et al. 1984)60; (d) Diagrama de discriminación de (Sylvester 1989)61 en el que las rocas tienen > 68 wt. % SiO2; y (e) Diagrama ternario fuente de (Laurent et al. 2014)62.

Es ampliamente conocido que las rocas graníticas se atribuyen a rocas graníticas sinoorogénicas (calco-alcalinas), postorogénicas tardías altamente fraccionadas (calcoalcalinas a alcalinas) y postorogénicas (alcalinas)7,18. Las rocas de granito gris representan las más antiguas e incluyen rocas como tonalita y granodiorita que se desarrollan en entornos de arco volcánico, mientras que las rocas más jóvenes (alcalinas) se atribuyen comúnmente a granitos relacionados con placas/rifts15,16,19,21.

En la investigación actual, a los autores les gustaría vincular la composición mineralógica/química de las rocas examinadas y su régimen tectónico con sus aspectos geotécnicos y de ingeniería. Por lo tanto, utilizando los diagramas geoquímicos, todas las rocas graníticas examinadas están representadas por rocas graníticas calco-alcalinas altamente evolucionadas (formadas por cristalización fraccionada de tipo I) del régimen post-orogénico.

La localización tectónica de las rocas examinadas se puede manifestar mediante el uso de varios diagramas geotectónicos. Las rocas investigadas contienen un alto contenido de Zr y relación Ga/Al, lo que refleja granitos orogénicos (tipo A)59, con la excepción de la muestra No. F1 que tiene afinidad de tipo I (Fig. 7b). Este resultado está respaldado por el diagrama binario60, donde todas las muestras se trazan en el campo tipo A, mientras que las muestras F1 y F3 se trazan en el campo de granitos de arco volcánico debido al menor contenido de elementos Y y Nb. Además, todas las muestras se ubican dentro de granitos poscolisión. Sin embargo, algunas de estas muestras trazadas en el sector de granitos tipo A, tienen una característica geoquímica de granitos calco-alcalinos (Fig. 7c), y rocas calco-alcalinas altamente fraccionadas61 (Fig. 7d). Esto está relacionado con la extensa cristalización fraccionada de la masa fundida de tipo I (tonalita)62 (Fig. 7e).

Con base en el análisis químico (porcentajes de óxidos) de las rocas graníticas estudiadas mediante XRF (Fluorescencia de Rayos X), se calculó la composición mineral de estas rocas mediante la “clasificación CIPW”. Dicha clasificación se basó en la reorganización del análisis químico de porcentajes de óxidos a cantidades de “minerales estándar”50,63 como se indica en la (Tabla 4). La hipotética composición mineral estándar de la roca granítica estudiada basada en la "clasificación CIPW" reveló que la composición mineralógica predominante en todas las rocas estudiadas se detecta en el siguiente orden "Cuarzo: SiO2", "Albita: NaAlSi3O8", "Ortoclasa: KAlSi3O8", "Anortita: CaAl2Si2O8" junto con algunos minerales accesorios como "Apatita: Ca5(Cl.F) (PO4)3", "Rutilo: TiO2", "Corindón: Al2O3", además de un grupo de minerales de hierro como "Hematita : Fe2O3", "Ilmenita: FeTiO3".

Estos minerales se detectaron en diferentes proporciones de un tipo de roca a otro. Se detectó que el contenido de cuarzo varió desde (promedio 27,86%) para (tipo de roca F1) hasta (promedio 38,129%) para (tipo de roca F2). En cuanto al contenido de mineral predominante de feldespato, se detectó que la “albita” es el principal mineral plagioclasa con un contenido promedio que va desde (23.83%) para (roca tipo F2) hasta (41.56%) para (roca tipo F6). El segundo mineral de feldespato predominante es el feldespato alcalino, particularmente "ortoclasa", con un contenido promedio que oscila entre (20,79%) para (tipo de roca F3) y (32,129%) para (tipo de roca F2).

La evaluación geotécnica de las rocas graníticas en términos de propiedades de ingeniería y comportamiento térmico son los principales parámetros utilizados para evaluar su idoneidad como piedras dimensionales u ornamentales para la construcción y edificación51. Según la especificación ASTM, los requisitos de las rocas graníticas para su uso como piedras dimensionales, incluidos (absorción de agua, densidad, resistencia a la compresión, módulo de ruptura, resistencia a la abrasión y resistencia a la flexión), se enumeran bajo el término "propiedades físicas".

En el presente estudio, las propiedades de ingeniería de las rocas graníticas investigadas en el área de Gebel El-Faliq se dividieron en dos grupos: (1) el grupo de propiedades físicas que incluye (absorción de agua y densidad aparente además de la porosidad aparente); y (2) el grupo de propiedades mecánicas que incluye (resistencia a la compresión, resistencia a la abrasión). Estas propiedades se trazaron gráficamente y se muestran en las (Figs. 8 y 9).

Propiedades físicas de las rocas graníticas de Gebel El-Faliq y sus relaciones con la composición mineralógica.

Propiedades mecánicas de las rocas graníticas de Gebel El-Faliq y sus relaciones con las propiedades físicas y el contenido mineralógico.

La Figura 8 ilustra las propiedades físicas de las rocas graníticas estudiadas, y se observó que los resultados de absorción de agua (Fig. 8a) oscilaron entre 0.06% para (tipo roca F2) y 0.34% para (tipo roca F7) que fueron coincidiendo con los resultados de su porosidad aparente (Fig. 8b) que oscilaron entre 0,15% y 0,88%, respectivamente, lo que confirma la muy fuerte relación positiva entre la porosidad aparente y la absorción de agua. La variación en estas propiedades puede estar relacionada con la variación en la composición mineralógica como se muestra en (Fig. 8c yd). Esta figura muestra que la absorción de agua se comporta en función del contenido de albita, mientras que en el caso de la ortoclasa tiene un comportamiento inverso.

Los valores de absorción de agua se encuentran dentro de los límites de especificación estándar (< 0,40%)51. Los resultados actuales se encontraron paralelos a los hallazgos obtenidos por (Alzahrani et al. 20227 y Rashwan et al. 202332) en diferentes tipos de granitos que oscilaron entre 0,14% y 0,52% para la absorción de agua y entre 0,36% y 1,36% para la porosidad aparente. . Por el contrario, otros estudios como (Siegesmund et al. 201822, Török y Török 201564 y Freire-Lista et al. 202265) investigaron varios tipos de rocas ígneas y registraron altos rangos de absorción de agua y valores de porosidad aparente que oscilaron entre 0,78% al 3,53% y del 0,3% al 6,66%; respectivamente.

Se ilustraron los resultados de la densidad aparente (seca y húmeda) de las rocas graníticas estudiadas (Fig. 8e yf). Se observó en esta figura que los valores de densidades seca y húmeda oscilaron entre 2604.03 kg/m3 y 2611.72 kg/m3 (F 6—tipo roca) hasta 2642.4 kg/m3 y 2645.02 kg/m3 (F 1—tipo roca); respectivamente. Estos resultados coincidieron en una relación inversa con los resultados de la porosidad aparente como se muestra en (Fig. 8g). Aunque hay similitud entre los valores de porosidad aparente de (tipos de roca F3 y F6), existe una diferencia en la densidad aparente entre ellos. Por lo tanto, la variación en los valores de las densidades de las rocas se consideró en función de su contenido mineralógico, donde existe una relación inversa entre el contenido de albita de las rocas y su densidad aparente (Fig. 8h), mientras que una relación positiva entre cuarzo/ortoclasa Se informó el contenido de las rocas y su densidad aparente (Fig. 8i). Como la albita es la principal composición mineral que forma las rocas graníticas estudiadas que la ortoclasa, existe una relación inversa entre el contenido total de feldespato y la densidad aparente (Fig. 8j).

Los valores de densidad aparente del presente estudio fueron similares a los hallazgos obtenidos por (Alzahrani el al. 2022)7 en el rango de 2582 a 2644 kg/m3, (Török y Török 2015)64 en el rango de (2,58– 2,68 g/cm3), (Rashwan et al. 2023)32 en el rango de 2590 a 2748 kg/m3, (Dionísio et al. 2021)66 en el rango de 2,48–2,63 g/cm3 y (Freire-Lista et al. .2022)65 2461–2649 kg/m3.

Comparando los resultados de la densidad aparente con la especificación estándar relativa a la piedra dimensional de granito según (ASTM C615)51, se observó que todas las rocas investigadas cumplían los requisitos (2560 kg/m3 como límite mínimo).

La resistencia a la compresión y la resistencia a la abrasión son las propiedades mecánicas más importantes que evalúan la durabilidad y solidez de las rocas destinadas a ser utilizadas como piedras dimensionales para fines de construcción.

Los resultados de la resistencia a la compresión y la resistencia a la abrasión de las rocas graníticas de Gebel El-faliq se ilustraron gráficamente (Fig. 9). Se observó que los valores de resistencia a la compresión oscilaron entre 98,03 MPa (999,68 kg/cm2) registrados para (tipo roca F4) y 242,13 MPa (2469,10 kg/cm2) registrados para (tipo roca F2), como se muestra en la (Fig. 9a). La variación en los resultados de la resistencia a la compresión podría ser función de varios parámetros, como la porosidad aparente (Fig. 9b), la densidad aparente (Fig. 9c) y el contenido de feldespato (Fig. 9d). A partir de estas relaciones, se observó que la resistencia a la compresión disminuye al aumentar la porosidad aparente y la plagioclasa, aumenta al aumentar la densidad aparente y el contenido de feldespato alcalino.

Los resultados de la resistencia a la abrasión, como se muestra en (Fig. 9e), oscilaron entre 29,67 Ha (profundidad de abrasión de 0,462 mm) para (tipo de roca F7) y 54,64 Ha (profundidad de abrasión de 0,298 mm) para (tipo de roca F2). Como la porosidad de una roca puede debilitar la cohesión entre sus granos y en consecuencia disminuir su durabilidad, (Fig. 9f) muestra una relación positiva entre los valores de resistencia a la abrasión (Ha) de las rocas estudiadas y sus porosidades aparentes.

Comparando los resultados de resistencia a la compresión y resistencia a la abrasión de las rocas graníticas estudiadas con la especificación estándar relativa a la piedra de granito51, se encontró que todos los tipos de roca alcanzaron el límite mínimo de resistencia a la abrasión (25 Ha). En el caso de la resistencia a la compresión, los tipos de roca (F1, F2, F5 y F7) cumplieron con los requisitos del límite de resistencia a la compresión (131 MPa como límite mínimo), mientras que el resto de los tipos de roca (F3, F4 y F6) cumplieron con los requisitos del límite de resistencia a la compresión (131 MPa como límite mínimo). Sin embargo, están ligeramente por debajo del requisito mínimo de la misma especificación, pueden ser adecuados para fines livianos, como uso interior, y para uso exterior, como revestimiento de edificios. Además, se pueden utilizar siempre que se evalúen en términos de expansión térmica, durabilidad, módulo elástico y cambio permanente de volumen51. El resumen de las propiedades de ingeniería de los tipos de rocas graníticas estudiados en el área de Gabal El-Faliq se presenta en la (Tabla 5).

El fenómeno de expansión térmica ocurre al aumentar la temperatura en todas las sustancias y en todas las formas de materia. También incluye la contracción de la materia al disminuir la temperatura. Durante este fenómeno, la forma, longitud y volumen de la sustancia cambian con el cambio de temperatura67. Por tanto, el aumento de las dimensiones lineales, como la longitud, de cualquier material con la temperatura puede utilizarse para cuantificar su expansión térmica68.

Como se mencionó anteriormente, la expansión térmica como resultado de la transferencia de calor es una de las razones del deterioro de las rocas. Por tanto, debido a la mala conductividad térmica de las rocas graníticas, la acción térmica sobre la superficie de la roca es más intensa que en su interior, y se desarrolla una fuerza de tensión que provoca la formación de grietas en la superficie exterior de la roca23.

Las fórmulas numéricas para calcular el coeficiente de expansión térmica lineal se pueden agrupar en dos categorías amplias; la primera es "expansión dependiente del rango de temperatura", mientras que la segunda es "expansión dependiente de la temperatura única".

La primera categoría se define como "el coeficiente medio o medio de expansión térmica lineal (αm) en un rango de temperatura68,69,70,71 según la siguiente ecuación general:

Donde, αm está relacionada con la pendiente de la cuerda entre dos puntos en la curva de longitud versus temperatura (Fig. 7)68,69, y por lo tanto representa la expansión en un rango de temperatura particular de T1 a T2, Lo representa la pendiente inicial. longitud de la muestra a la temperatura To (temperatura de referencia) que se expande a L1 a la temperatura T1 y luego a L2 a la temperatura T2, mientras que ΔL es el cambio en la longitud de la muestra para el cambio de temperatura ΔT.

La segunda categoría se denomina “verdadero coeficiente de expansión térmica lineal (αT) que está relacionado con la derivada (dL/dT) a una sola temperatura68,69, que se puede definir según la siguiente ecuación:

Donde, αT es la pendiente de la tangente a la curva de longitud frente a la temperatura como se muestra en (Fig. 10)68, dL/Lo es la derivada de la deformación térmica72. Los resultados del coeficiente de expansión térmica lineal (α), así como el cambio en la longitud de la muestra en función del cambio de temperatura para la roca granítica intrusiva estudiada en el área de Gebel El-Faliq, se ilustraron gráficamente en la (Fig. 10) y se presentaron en la Tabla. 6.

(A) Cambio en la longitud del material (L) en función de la temperatura (T) (James et al. 2001)68; (F1 – F7) cambio en el coeficiente de expansión térmica lineal (α) y tensión térmica de diferentes rocas graníticas intrusivas bajo temperaturas crecientes.

La Figura 10 muestra el cambio en la longitud de la muestra (dL), en función de la deformación térmica (dL/Lo, %), así como el coeficiente térmico (αm, αT) bajo la influencia del aumento de temperatura (T) hasta 1000 °C. En esta figura, se puede observar un aumento en la longitud del espécimen con un calentamiento gradual de las rocas en todo el rango de temperatura, mientras que el coeficiente térmico simplemente aumentó hasta (~573 °C) y volvió a disminuir en este grado de temperatura. Hubo una variación en los valores tanto del cambio en la longitud del espécimen (dL) como del coeficiente térmico medio (αm) en el rango de temperatura entre las rocas investigadas como se indica en la (Tabla 6), dicha variación puede verse influenciada por varios parámetros como se muestra a continuación:

Como se conoció que las rocas ígneas intrusivas son de composición multimineralógica y la composición mineral principal es cuarzo y feldespato (dos tipos) además de minerales menores en diferentes proporciones. A 100 °C, el aumento en el contenido de cuarzo condujo a un aumento en la longitud de la muestra y el coeficiente de expansión (Fig. 11a), mientras que el aumento en el contenido total de feldespato (Fig. 11b) y la combinación de contenido de cuarzo y feldespato (Fig. 11c) resultó en una reducción en la longitud de las muestras junto con el coeficiente de expansión. Esto se debe al alto valor del coeficiente térmico del mineral de cuarzo (alrededor de 16,66 × 10−6/°C) en relación con el del grupo feldespato (4,16 × 10−6/°C para la plagioclasa y 3,68 × 10−6/°C para feldespato alcalino)67. Como se indica en la (Tabla 6), los valores mínimos de expansión lineal junto con el coeficiente de expansión se registraron para (F2-Granitos de pertita-gneisosa de cristales de grano medio) con (0,0021%) y (0,30 × 10-6/K-1 ), mientras que los valores máximos se registraron para (F3-Biotita-granitos gneisosos de cristales de grano fino) con (0,0385%) y (5,531 × 10-6 /K−1), respectivamente.

Expansión térmica lineal (LTE) de rocas graníticas de Gabal El-Faliq en función de la composición mineralógica (contenido de cuarzo, feldespato).

En consecuencia, el efecto del contenido de cuarzo y feldespato total sobre el comportamiento térmico de las rocas estudiadas a temperaturas elevadas demostró una similitud con el de temperaturas más bajas. Por ejemplo, a ~573 °C, el aumento del contenido de cuarzo y feldespato provocó un aumento y una disminución de la expansión lineal y del coeficiente de expansión (Fig. 11d-f), respectivamente.

Como se enumera en la (Tabla 6), los valores de cambio en la longitud de la muestra de las rocas investigadas junto con sus coeficientes de expansión térmica hasta (~573 °C) oscilaron entre (1,2603%) y (23,009 × 10−6 / K-1 ) para (F7-Granito alcalino-feldespato de tamaño de grano medio) a (2,0215 %) y (37,962 × 10−6 / K−1) para (F4-Granito alcalino-feldespato de tamaño de grano grueso). Al relacionar el comportamiento térmico de las rocas investigadas (hasta ~573 °C) con su composición mineralógica, hubo una relación positiva con el contenido de cuarzo (Fig. 11d), mientras que una relación negativa con el contenido total de feldespato (Fig. 11e). .

La influencia de la composición mineralógica (cuarzo y feldespato) de las rocas graníticas estudiadas en su comportamiento térmico se encontró similar a los hallazgos reportados por (Siegesmund et al. 201822, De Castro y Paraguass 200423).

En cuanto al efecto de temperaturas más altas, superiores a (~573 °C), sobre el comportamiento térmico de las rocas estudiadas, se observó una notable reducción en los valores del coeficiente térmico (αm). Esto puede atribuirse a la transición de fase del mineral de cuarzo de (α a β) que aparece a 573 °C7 y puede influir en las propiedades físicas de las rocas72. Dicha reducción parecía similar a los hallazgos obtenidos por (Alzahrani et al. 2022)7. Según (Plevova et al. 2016)25 las rocas con alto contenido de cuarzo demostraron un coeficiente de expansión térmica más bajo al calentarse por encima de ~ 573 °C (transición de fase de cuarzo α-β).

Con respecto a los coeficientes de expansión térmica a temperaturas específicas, es decir (coeficiente de expansión térmica verdadero, αT), (Fig. 10) ilustra solo un pico agudo (aumento) para todas las rocas graníticas estudiadas en alrededor de 573 °C. Los valores del coeficiente térmico a esta temperatura oscilaron entre (140 x 10-6 / K-1) para (F-1 granitos de biotita-gneisosa de tamaño de grano medio) a (250 x 10-6 / K-1) para (F -4 Granitos alcalinos-feldespáticos de tamaño de grano grueso). Dicha variación en los valores de αT puede atribuirse a la variación en las cantidades de minerales de cuarzo y feldespato entre las rocas graníticas estudiadas, como se presenta en la (Tabla 4). La Figura 11f ilustra la relación entre el contenido de cuarzo y feldespato en las rocas graníticas estudiadas y la intensidad térmica. El aumento repentino en el coeficiente de expansión térmica alrededor de 573 °C puede estar relacionado con el estado de transición del mineral de cuarzo de la fase de cuarzo α a la fase de cuarzo β7,69.

De manera similar a la composición mineralógica, las rocas graníticas intrusivas se caracterizan por un alto contenido de óxido de silicio (SiO2) que oscila en este estudio entre (72,417–76,225%) además de óxidos fundentes u álcalis (Na2O y K2O). En el presente estudio, la relación entre la composición química principal de las rocas graníticas estudiadas representadas por (SiO2 y Na2O + K2O) y su comportamiento térmico a bajas y altas temperaturas se ilustra en (Fig. 12).

Expansión térmica lineal (LTE) de rocas graníticas de Gabal El-Faliq en función de la composición química (SiO2, Na2O+K2O) y las propiedades físicas (porosidad aparente, densidad aparente).

En cuanto al efecto de la composición química de las rocas intrusivas estudiadas sobre su comportamiento de expansión, se observó que las muestras de rocas de alto (SiO2, %) y (Na2O+K2O, %), alcanzaron menores valores de expansión térmica lineal que las de contenidos más bajos a temperaturas más bajas (100 °C) (Fig. 12a,b).

Por el contrario, el efecto del contenido de (SiO2, %) sobre el comportamiento térmico de las rocas estudiadas a temperaturas elevadas (~ 573 °C) fue diferente, donde existe una relación positiva entre el contenido de SiO2 de las muestras de roca y su expansión térmica. valores (Fig. 12c).

La Figura 12d-f ilustra el comportamiento de expansión térmica lineal de diferentes tipos de rocas graníticas en el área de Gebel El-Faliq en función de sus propiedades físicas, como la porosidad aparente y la densidad aparente. Según (Siegesmund et al. 2018)22, las microfisuras pueden evitar o mejorar la expansión del mineral dependiendo de su tamaño, densidad y orientación, por lo que podrían jugar un papel importante en la expansión térmica. Según (De Castro y Paraguass 2004)23 el aumento de la porosidad aparente y del tamaño de grano de los minerales provocó una disminución en la expansión térmica de algunas rocas graníticas brasileñas.

En el presente estudio se puede observar una relación positiva entre la porosidad aparente de las rocas graníticas y su comportamiento térmico a temperaturas más bajas (hasta 100 °C), mientras que a temperaturas más altas (hasta ~573 °C) se observa una relación negativa. . Por el contrario, se puede observar una relación positiva entre la densidad aparente de las rocas estudiadas y su expansión térmica lineal a temperaturas más altas (hasta ~ 573 °C).

La evaluación geotécnica de cualquier roca para su uso como piedra ornamental o de dimensión en diversos fines estructurales y de edificación requiere varios estudios geológicos y geotécnicos. En el presente estudio se aplicaron los estudios geológicos en términos de petrografía, mineralogía y geoquímica, junto con las mediciones geotécnicas o propiedades de ingeniería en términos de comportamiento físico, mecánico y térmico, sobre diferentes tipos de rocas ígneas del Neoproterozoico denominadas "granito". en una base comercial, del área de Gebel El-Faliq, desierto central oriental, Egipto, para determinar su idoneidad para usar como piedras dimensionales en diferentes propósitos decorativos. Los resultados de los estudios geológicos y geotécnicos fueron los siguientes:

Con base en la investigación petrográfica, las rocas intrusivas estudiadas se clasificaron en dos categorías principales: granitos gneisosos (biotita-pertita) de tamaño de grano medio a fino y granitos alcalinos-feldespáticos de tamaño de grano grueso a medio. Además, también se detectaron petrográficamente algunos minerales de alteración como clorita, sausurita y sericita.

Los estudios geoquímicos de los tipos de rocas estudiados revelaron que la composición mineral principal es albita, ortoclasa y cuarzo en proporciones variables, junto con algunos minerales accesorios como apatita y rutilo, además de algunas cantidades menores de minerales del grupo del hierro como hematita e ilmenita. .

Las mediciones geotécnicas revelaron que los valores máximos de absorción de agua y porosidad aparente son de 0,34% y 0,77%, respectivamente, mientras que la densidad aparente mínima es de 2604,03 kg/m3. Los resultados de resistencia a la compresión oscilaron entre 999,68 y 2469,10 kg/cm2, mientras que los de resistencia a la abrasión variaron entre 29,67 y 54,64 Ha. Al vincular el análisis petrográfico de las rocas con su desempeño ingenieril, se observa que la composición mineral tiene un efecto notable sobre las propiedades físicas y mecánicas. El aumento del contenido de albita provocó un aumento de la absorción de agua y una disminución de la densidad aparente y la resistencia a la compresión. Este efecto se revierte en caso de contenido de ortoclasa. Además, el aumento del tamaño de grano de la roca conduce a un aumento de la porosidad aparente y, en consecuencia, a una disminución de la resistencia a la compresión y a la abrasión.

Los tipos de rocas estudiados exhibieron grandes variaciones en su expansión térmica ante cambios de temperatura, composición mineral y propiedades físicas. El calentamiento gradual aumentó el coeficiente de expansión térmica hasta aproximadamente 573 °C. El aumento del contenido de cuarzo provocó un aumento del coeficiente de expansión. Por el contrario, el aumento del contenido de feldespato provocó una disminución del coeficiente de expansión. El aumento de la porosidad aparente provocó un aumento de la expansión térmica hasta los 100 °C, donde el cambio máximo en la longitud de la roca no superó el 0,038%, lo que confirma la idoneidad del uso de las rocas graníticas con fines decorativos exteriores (revestimientos/pavimentos) en condiciones variables. condiciones de temperatura.

Al comparar los resultados de las propiedades de ingeniería con el límite de una especificación estándar relacionada con piedras dimensionales de granito, se encontró que se cumplieron los requisitos de las rocas graníticas estudiadas como piedras dimensionales.

Con base en los resultados obtenidos, es muy recomendable aplicar este tipo de rocas ígneas graníticas como pisos de construcción para uso interior de uso liviano o como revestimiento de construcción para uso exterior.

Deben estudiarse intensamente los tamaños y orientaciones (dirección) de los cristales minerales, además de las alteraciones minerales en las rocas ígneas. Estos parámetros se consideran parámetros importantes que pueden tener un papel considerable en las propiedades de las rocas bajo variaciones de temperatura y cargas.

Toda la declaración de disponibilidad de datos y materiales está presente en el texto del manuscrito.

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Descargar referencias

Los autores aprecian enormemente todos los esfuerzos ofrecidos por el "Laboratorio de pruebas de mármol y granito" (MGTL) del Centro Nacional de Investigación (NRC), incluidas las mediciones físicas y mecánicas de las muestras de rocas recolectadas. Un agradecimiento especial al profesor Basel Shalaby del Centro Nacional de Investigación por revisar y editar el manuscrito. Gracias al X-Ray Testing Lab (XRF) por el análisis químico de las muestras de piedra.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Los autores declaran que no recibieron fondos, subvenciones u otro tipo de apoyo durante la preparación de este manuscrito.

Departamento de Geología, Facultad de Ciencias, Universidad Al-Azhar, PO 11884, El Cairo, Egipto

El Saeed R. Lasheen

Departamento de Ciencias Geológicas, Centro Nacional de Investigaciones, 33 El Bohooth st. (antigua calle El Tahrir), Dokki, PO 12622, Giza, Egipto

Mohammed A. Rashwan y Mokhles K. Azer

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El estudio fue conceptualizado y diseñado por [MAR]. Las muestras fueron recolectadas por [MKA] y preparadas y analizadas por [MAR] y [ESRL]. El primer borrador del manuscrito fue escrito por [MAR] y [ESRL] y todos los autores comentaron versiones anteriores del manuscrito. Las propiedades físicas, mecánicas y térmicas fueron investigadas por [MAR], mientras que las investigaciones petrográficas y geoquímicas fueron realizadas por [ESRL]. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final. Todos los autores están de acuerdo con la publicación de este manuscrito en la revista Scientific Reports.

Correspondencia a Mohammed A. Rashwan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lasheen, ESR, Rashwan, MA & Azer, MK Efecto de las variaciones mineralógicas sobre las propiedades físico-mecánicas y térmicas de las rocas graníticas. Informe científico 13, 10320 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36459-9

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Recibido: 07 de septiembre de 2022

Aceptado: 04 de junio de 2023

Publicado: 26 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36459-9

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