Einfluss mineralogischer Variationen auf die Physik

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10320 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ziel der vorliegenden Studie ist es, die geochemischen und mineralogischen Details der Granitgesteinsarten im Gebiet Gabal EL-Faliq in der südöstlichen Wüste Ägyptens in Bezug auf die Geotechnik und ihre Eignung als Dimensionssteine ​​zu erklären. Das Ziel der aktuellen Forschung wurde in zwei Schritten erreicht; Der erste Schritt umfasste geologische Studien wie petrographische, geochemische und mineralogische Untersuchungen. Der zweite und anwendbare Schritt umfasste die geotechnische Bewertung der untersuchten Gesteine ​​durch Messung ihrer technischen Eigenschaften wie physikalische, mechanische und thermische Ausdehnungseigenschaften. Die petrographische Untersuchung ergab, dass die untersuchten Granitgesteine ​​in zwei Hauptklassen unterteilt werden: (1) Gneisgranite (Biotit-Perthit) mittlerer bis feiner Körnung und (2) Alkalifeldspat-Granite grober bis mittlerer Körnung. Mineralogisch gesehen bestehen die untersuchten Gesteine ​​hauptsächlich aus Albit, Orthoklas und Quarz in unterschiedlichen Anteilen, zusammen mit einigen Begleitmineralien wie Apatit und Rutil sowie einigen kleineren Mengen an Mineralien der Eisengruppe wie Hämatit und Ilmenit. Die technischen Eigenschaften zeigten, dass die maximale Wasseraufnahme und die scheinbare Porosität 0,34 % bzw. 0,77 % betragen, während die minimale Schüttdichte 2604,03 kg/m3 beträgt. Die Druckfestigkeit liegt zwischen 999,68 und 2469,10 kg/cm2, während die Abriebfestigkeit zwischen 29,67 und 54,64 ha variiert. Der Anstieg des Albitgehalts führte zu einer Erhöhung der Wasseraufnahme bei gleichzeitiger Abnahme der Schüttdichte und Druckfestigkeit. Die Zunahme der Korngröße führte zu einer Zunahme der scheinbaren Porosität und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Eine große Variation des Ausdehnungskoeffizienten sowie der Längenänderung tritt bei Änderungen der Temperatur, der Mineralzusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften auf. Der Anstieg der Heiztemperaturen führte zu einem unbedeutenden Anstieg der linearen Wärmeausdehnung mit einem Maximalwert von 0,0385 % bei 100 °C. Diese Ergebnisse zeigten die Eignung der untersuchten Granite als Dimensionssteine ​​zur Verwendung für dekorative Zwecke im Innen- und Außenbereich (Verkleidung/Pflasterung) unter wechselnden Temperaturbedingungen.

Unter Maßsteinen versteht man alle Arten von Natursteinen oder Steinprodukten, mit Ausnahme aller künstlich hergestellten Materialien, die Stein imitieren, die so geschnitten werden können, dass Elemente mit wohlbestimmten geometrischen Formen oder Größen entstehen und die normalen Anforderungen an Polierfähigkeit, Farbe, Textur und Oberfläche erfüllen Oberfläche zur Verwendung als Bau- und Ziermaterial wie Gebäudeverkleidungen, Pflastersteine, Bordsteine, Denkmäler und Denkmäler sowie andere Industrieprodukte1,2,3,4,5. Daher wird die Einstufung von Natursteinen als Dimensionssteine ​​durch ihr Aussehen und ihre Abmessungen bestimmt, die die beiden Hauptkriterien sind. Darüber hinaus sollten die Dimensionssteine ​​die Festigkeit, Polierbarkeit und Beständigkeit gegenüber physikalischer und chemischer Witterungseinflüssen erfüllen6.

Magmatisches Gestein, metamorphes Gestein und Sedimentgestein sind die drei Hauptkategorien von Natursteinen, basierend auf ihrer Herkunft, und werden aufgrund der großen Vielfalt ihres Aussehens sowie ihrer hohen Kompaktheit und Haltbarkeit weltweit in vielen Anwendungen, beispielsweise als Dimensionssteine, verwendet Dadurch konnten sie für Fußböden, Verkleidungen, Pflaster, Grabdenkmäler und Statuen verwendet werden7. Natursteine ​​sind das am häufigsten verwendete Material für antike Bauwerke wie Pyramiden, Burgen und Paläste. Die Verwendung von Maßsteinen in traditionellen Bauwerken steht in engem Zusammenhang mit der Verteilung von Felsvorsprüngen8.

Gemäß (ASTM C119)1 wurden die Dimensionssteine ​​in mehrere Gruppen eingeteilt, darunter Granit, Kalkstein, Marmor, Quarz (Quarzit) und Schiefer sowie andere Dimensionssteine ​​wie Alabaster und Serpentin. Die beiden häufigsten Gruppen von Natursteinen sind jedoch neben anderen Steinarten wie Quarzit und Schiefer auch die Materialgruppen Marmor oder Kalk und Granit oder Silikat. Die erste Gruppe (Marmor) umfasst die gesamte Klasse der Karbonatgesteine, die normalerweise aus Calcit und Dolomit bestehen und über die Grenzen der bloßen lithologischen Charakterisierung hinaus Sägen und Polieren aushalten3,9. Die Zusammensetzung reicht von Steinen aus reinem Karbonat bis hin zu Steinen mit sehr wenig Karbonat, die kommerziell als marmorartig (Serpentinenmarmor) eingestuft werden1. Die zweite gemeinsame Gruppe (Granit) umfasst in einer kommerziellen Definition die gesamte Gruppe eruptiver oder magmatischer Gesteine ​​mit körniger Struktur und polymineralischer Zusammensetzung, unabhängig vom Quarzgehalt3.

Die Produktion von Dimensionssteinen nimmt durch die massive Ausweitung von Hochbauprojekten aufgrund des kontinuierlichen Bevölkerungswachstums rasant zu. Die weltweite Nettoproduktion von Dimensionssteinen erreichte im Jahr 2017 in 27 Ländern10 etwa 150 Millionen Tonnen, wobei China, Indien, die Türkei, der Iran und Italien einen Großteil von etwa 72 % ausmachten6,11.

Vor Ort zeichnet sich Ägypten durch eine große Verbreitung verschiedener Arten von Natursteinen von mehr als fünfzig Marken aus, die als Maß- und Ziersteine ​​verwendet werden können12,13. Daher belegte Ägypten bei der Produktion von Dimensionssteinen14 den siebten Platz weltweit mit einem Produktionsvolumen von etwa 5,25 Millionen Tonnen, wobei ein weltweiter Anteil von 4 % im Montani-Bericht 201810 erwähnt wird.

In Ägypten machen die Granitintrusionen etwa 60 % des gesamten neoproterozoischen Gesteins aus15,16. Sie werden synorogenen kalkalkalischen, spätpostorogenen hochfraktionierten Granitoiden und postorogenen alkalischen Granitgesteinen zugeschrieben7,17. Darüber hinaus umfassen diese Intrusionen graue, weiße, rosa und rote Granite18. Die Entstehung solcher Granitgesteine ​​wurde durch zwei mögliche Mechanismen vorgeschlagen: Der erste Mechanismus ist die Magma-Differenzierung (fraktionierte Kristallisation oder Assimilation) der aus dem Mantel stammenden Basaltschmelze, während der zweite vorgeschlagene Mechanismus das teilweise Schmelzen von Krustengesteinen (mafischsaures magmatisches oder sedimentäres Gestein) ist Felsen). Die Granitgesteine ​​erregten die Aufmerksamkeit vieler Autoren aufgrund ihrer breiten Exposition und Zusammensetzung, ihres guten Aussehens und der wirtschaftlichen Aufnahme bedeutender Seltenerdmetalle wie Nb, Ta, U, Th, Zr, Sn und W7,19,20,21 .

Laut (Alzahrani et al. 2022)7 führte die Variation in der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung der Granitgesteine ​​zusätzlich zu ihren physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu einer Variation in ihrem Wärmeausdehnungs- und spektralen Reflexionsverhalten. Sie gaben an, dass die Granitgesteine ​​mit niedrigem Eisenoxidgehalt eine hohe spektrale Reflexion in den Spektralbereichen (VIS-NIR) und (SWIR) aufweisen. Darüber hinaus zeigten die Granitgesteine ​​mit hohem Eisen- und/oder niedrigem Quarzgehalt eine hohe physikalische und mechanische Leistungsfähigkeit.

Laut (Siegesmund et al. 2018)22 ist die Wärmeausdehnung eine physikalische Eigenschaft, die bei der Änderung der Temperaturen aller Materialien auftritt, wobei sich die meisten Materialien beim Erhitzen und Abkühlen ausdehnen und zusammenziehen; jeweils. Bei thermisch empfindlichen Materialien führen Temperaturänderungen zu einer ausgeprägten Veränderung, die als physikalische oder mechanische Verwitterung bekannt ist. Obwohl das Ausmaß der Wärmeausdehnung relativ gering ist und nur geringe Auswirkungen auf die Volumenänderung und die Schüttdichte des Gesteins hat, können die Variationen in den Eigenschaften der Wärmeausdehnung verschiedener Mineralien in der Ansammlung von Mineralkörnern beim Erhitzen des Gesteins zu strukturellen Schäden führen. Eine der Ursachen für den Gesteinsverfall ist die Wärmeausdehnung. Dies liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit von Granitgesteinen schlecht ist und da die thermische Wirkung an der Gesteinsoberfläche stärker ist als im Inneren, entstehen Spannungen, die zur Bildung von Rissen in der Außenfläche des Gesteins führen23.

Die thermischen Untersuchungen an Granitgesteinen aus den Himalaya-Regionen und dem Halbinselschild in Indien zeigten, dass die Mineralzusammensetzung, die Kornorientierung, die Rissporosität, die Erwärmungsrate und die thermischen Zyklen einen großen Einfluss auf den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Graniten haben24.

Plevova et al. (2016)25 wendeten mehrere thermische (DTA, TG, TMA, αH), mineralogische und petrographische Untersuchungen an sechs Granitgesteinsproben aus drei Ländern an. Sie beobachteten eine relative Ähnlichkeit der Wärmeausdehnungswerte, während sich die Formen ihrer TMA-Kurven geringfügig unterschieden. Sie führten solche Unterschiede auf ihren Quarz- und Feldspatgehalt, die Feldspatkristallinität und das Verhältnis von Anorthit und Albit in den Granitgesteinen zurück.

Die Schwankungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen gesteinsbildenden Mineralien sowie des Gesteinsgefüges gelten als wichtige Parameter, von denen die Wärmeausdehnung eines Gesteins abhängig ist (Ref.22). Sie untersuchten den Einfluss der Temperatur (bis 120 °C) sowie der mineralogischen Zusammensetzung auf die thermischen Eigenschaften mehrerer Granitgesteine. Sie beobachteten viel höhere Wärmeausdehnungskoeffizienten in den quarzreichen Granitoidgesteinen im Vergleich zu denen mit hohem Kalifeldspat- oder Plagioklasgehalt. Der Beitrag von Biotit- und Hornblendemineralien verändert jedoch die Wärmeausdehnung des gesamten Gesteins.

Es gibt mehrere Faktoren, die den Grad der Wärmeausdehnung in Gesteinen beeinflussen, wie etwa ihre mineralogische Zusammensetzung (insbesondere der Quarz- und Calcitgehalt), die Kristallorientierung (Struktur) sowie ihren Porositätsgrad23. Sie ermittelten die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten einiger brasilianischer Granitgesteine, die kommerziell als Gebäudeverkleidung verwendet werden, in einem Temperaturbereich von 0 bis 50 °C und verglichen diese Werte mit dem Quarzgehalt, der scheinbaren Porosität und der Korngröße der untersuchten Gesteine. Sie beobachteten, dass der Anstieg des Quarzgehalts der Granitgesteine ​​zu einem Anstieg ihrer thermischen Koeffizientenwerte führte. Andererseits wurde eine Abnahme des Wärmekoeffizienten mit zunehmender scheinbarer Porosität und Korngröße beobachtet.

Mineralische Bestandteile, Korngröße, Textur und Grad der Veränderung der Gesteine ​​sind die Hauptfaktoren, die die technischen Eigenschaften und die Haltbarkeitsleistung oder die Abbaubarkeitsrate von Steinen beeinflussen26,27,28,29,30,31,32. Hemmati et al. (2020)29 untersuchten den Einfluss der Mineralogie und Textur verschiedener kristalliner magmatischer Gesteine ​​auf ihre Festigkeitseigenschaften und fanden einen Zusammenhang zwischen der Druck- und Zugfestigkeit der untersuchten magmatischen Gesteine ​​und ihrem Quarz/Feldspat-Größenverhältnis. Die Auswirkung von Temperaturänderungen auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Dimensionsgesteinen, insbesondere magmatischen Gesteinen, ist aufgrund ihrer breiten mineralogischen Zusammensetzung, die bei verschiedenen Temperaturgraden variable thermische Schwankungen aufweist, sehr offensichtlich33.

Andere Studien befassten sich mit den petrografischen Eigenschaften von Steinaggregaten wie Alterungsgrad, Mineralzusammensetzung und Steintextur und deren Auswirkungen auf die Haltbarkeitsleistung von Beton34,35. Sie fanden heraus, dass die Endfestigkeit der Betonproben von der Mineralogie und der Mikrostruktur der groben Zuschlagstoffe beeinflusst wurde.

Trotz der Fülle an intrusiven magmatischen Gesteinen im Gebel El-Faliq-Gebiet in der südöstlichen Wüste Ägyptens mit großen Variationen in Farbe und Typ wurden keine Studien zu den Granitgesteinen dieses Gebiets im Zusammenhang mit ihrer Eignung als Dimensionssteine ​​durchgeführt . Darüber hinaus können die mit dem Temperaturanstieg einhergehenden globalen Klimaveränderungen einen großen Einfluss auf die technischen Eigenschaften dieser Gesteine ​​haben. Daher bestand das Hauptziel der aktuellen Forschung darin, das thermische Verhalten und einige technische Eigenschaften verschiedener Sorten des neoproterozoischen Granitgesteins im Gebiet Gebel El-Faliq, Südostwüste, Ägypten, sowie ihre Eignung als Dimensionssteine ​​zur Verwendung zu bewerten in den Verkleidungs- und Bodenbelagsanwendungen. Darüber hinaus wurde auch der Einfluss der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung der verschiedenen Granitgesteine ​​auf ihre thermischen und technischen Eigenschaften untersucht. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der technischen Eigenschaften der untersuchten Granitgesteine ​​mit den internationalen Standardspezifikationen für Ziersteine ​​(Dimensionssteine) verglichen. Um die oben genannten Ziele zu erreichen, wurden an den gesammelten Gesteinsarten verschiedene Analysen und Untersuchungen durchgeführt, wie z. B. Elementaranalyse mittels Röntgenfluoreszenz (RFA), petrographische Untersuchung mittels Polarisationslichtmikroskop, thermischer Ausdehnungskoeffizient mittels Dilatometer sowie Messungen Einige technische Eigenschaften wie physikalische Eigenschaften (scheinbare Porosität, Wasseraufnahme und Schüttdichte) und mechanische Eigenschaften (Druckfestigkeit, Abriebfestigkeit) gemäß den internationalen Standardtestmethoden (ASTM).

Ägyptische Gesteine ​​aus dem Neoproterozoikum sind parallel zum Roten Meer (östliche Wüste), zum Süd-Sinai und zum Uwainate-Gebiet, dem nördlichen Gebiet des Arabischen Nubischen Schildes (ANS), gut exponiert. ANS stellt eine gut junge Kruste dar, die durch Bogenakkretion gebildet wird, gefolgt von einer Krustenverdickung und einem Verschluss des Mosambik-Ozeans17,36,37,38,39,40,41. Die Entwicklung von ANS wird durch große Granitintrusionen mit einer großen Vielfalt im mineralogischen und tektonischen Regime7,17,20 beeinflusst. Gebal El Faliq wird durch die Breitengrade 24° 36' und 24° 37' N und Längengrade 34° 28' und 34° 33' E abgegrenzt und erstreckt sich über ca. 10 km2 (Abb. 1). Es liegt südwestlich von Wadi Ghadir-Hafafit, südöstliche Wüste, Ägypten. Mylonitische, ophiolitische ultramafische Gesteine, jüngere Granite sowie postgranitische Gänge und Pegmatite sind die Hauptgesteine, die im untersuchten Gebiet vorkommen. Auf der nordwestlichen Seite der jüngeren Granite von Gabal El Faliq ist ein niedriges Relief aus mylonitischen Gesteinen freigelegt. Ophiolitische Gesteine, wie sie in der östlichen Wüste (zentrale und südliche Seite) weit verbreitet sind17,42,43, bedecken den größten Teil des untersuchten Gebiets, das durch Dunit (oder Peridotite)44 und Melange-Gesteine45 repräsentiert wird. Gabal El Faliq besteht aus jüngeren Granitgesteinen mit länglichen Schichten entlang des NW-SE-Trends, sicherlich entlang des Wadi Abu Gherban. Sie zeigen ein Relief mit niedriger bis mittlerer Topographie (664 m über dem Meeresspiegel), das durch Monzogranite und Alkalifeldspatgranite repräsentiert wird45. Sie sind von zahlreichen Verwerfungen durchzogen (sinistral verlaufende Gleitverwerfung als Hauptverwerfung), daher sind Scher- und Gneisgefüge gut freigelegt, insbesondere entlang der Scherzone und Verwerfungsebenen. Sie werden durch basische Gänge und Pegmatite mit der Hauptrichtung NW-SE injiziert. Einige dieser Pegmatite mit unterschiedlichen Breiten und Längen sind mit seltenen Metallen wie Zr, Nb, Ta, Th, U und REE44 angereichert. Darüber hinaus besitzen sie sicherlich entlang ihrer Ränder Xenolithe aus den umliegenden Gesteinen. Einige Alterationsmerkmale wie Hämatitisierung und Kaolinisierung werden beobachtet, insbesondere entlang der Scherzone und Verwerfungsebenen.

Geologische Karte des Gebiets Gabal El Faliq (geändert nach: Mahmoud 201944; Saleh et al. 201445).

Laut (Global Carbon Project, 2021) ist Ägypten nur für 0,6 Prozent der jährlichen weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO2) verantwortlich, wird jedoch zu einem der Länder, die am stärksten von extremen Wetterereignissen betroffen sind46. Eid et al.47 analysierten die monatlichen, saisonalen und jährlichen Temperaturwerte über Ägypten im Zeitraum 1960–2016. Sie fanden heraus, dass die Unterschiede zwischen den Werten der Durchschnittstemperatur im Norden und Süden Ägyptens im Winter, Frühling, Sommer und Herbst bei 5 °C, 8 °C, 9 °C und 6 °C gemessen werden; jeweils. Sie fanden heraus, dass der Unterschied zwischen den Werten der mittleren Jahrestemperatur im Norden und im Süden Ägyptens etwa 7,5 °C beträgt.

In Bezug auf den jährlichen Gesamtniederschlag geben Nashwan und Shahid48 einen Ausblick auf die Veränderungen der Niederschlagsmenge und -eigenschaften über Ägypten bis zum Ende des Jahrhunderts. Sie zeigten einen Anstieg des Jahresniederschlags um bis zu 54 %, vor allem im Norden, mit einem Rückgang des Winterniederschlags um 35 %. Markus et al.49 gaben an, dass die am häufigsten verwendete Klimaklassifikationskarte die von Wladimir Köppen ist, die in ihrer neuesten Version vorgestellt wurde Fassung 1961 von Rudolf Geiger. Es wird verwendet, um verschiedene Klimaregionen auf der Erde basierend auf der lokalen Vegetation zu bezeichnen.

Für die aktuelle Forschung wurden sieben intrusive magmatische Gesteine ​​eines jüngeren Granittyps aus dem Untersuchungsgebiet Gabal El-Faliq gesammelt, wie in (Abb. 2) dargestellt. Der Unterschied bei der Probenahme von Gesteinsarten beruhte auf der Variation der Farbe (aufgrund der Variation in der Mineralzusammensetzung) und der Textur (aufgrund der Variation in der Korngröße und -orientierung) der Handprobe. Einige repräsentative Proben wurden zur visuellen Veranschaulichung poliert, wie in (Abb. 3) gezeigt. Zur Probenvorbereitung wurde jeder Granitgesteinstyp wie folgt in drei Formen unterteilt: zwei zylindrische Proben mit den Abmessungen 20 mm Länge und 5 mm Durchmesser, sechs kubische Proben mit Abmessungen von 50 x 50 x 50 mm und drei Proben mit Abmessungen von 50 mm im Quadrat und 25 mm Dicke. Die Gneisgesteinsproben wurden senkrecht zu ihrer Kornorientierung geschnitten.

Fotografien, die Handexemplare verschiedener Arten von Gabal El Faliq-Granitgestein zeigen.

Fotos, die die polierte Oberfläche ausgewählter Granitgesteinsarten zeigen.

Die gesammelten Granitsteine ​​unterschiedlicher Art wurden für die Elementaranalyse durch Mahlen und Sieben unter einer Siebgröße von 74 µm konfiguriert und anschließend in einem Ofentrockner bei 105 ± 5 °C über Nacht zur vollständigen Trockenheit getrocknet. Ein Teil jeder vorbereiteten Probe wurde bei 1000 °C gezündet, um den Glühverlust (LOI) in % gemäß der Standardtestmethode (ASTM E-1621) zu messen. Die Haupt- und Spurenelemente der vorbereiteten Gesteinsproben wurden im National Research Center (NRC) unter Verwendung von Röntgenfluoreszenz (RFA), Axios, PANalytical 2005 mit sequentiellem WD-RFA-Spektrometer gemessen. Basierend auf der RFA-Analyse wurde die normative Mineralzusammensetzung der untersuchten Granitgesteine ​​unter Verwendung der (normativen CIPW-Methode) gemäß (Streckeisen 1976)50 berechnet.

Zur Identifizierung der gesteinsbildenden Mineralien, der Korntextur und der Alterations- oder Verformungsindizes mithilfe eines Polarisationslichtmikroskops (petrographische Analyse) wurden dünne Abschnitte der Gesteinsarten durch Schneiden in wenige Millimeter dicke Platten mit einer Steinschneidemaschine mit einer Diamantsäge erstellt , mit einer Rotationsschleifmaschine poliert und dann mit Canada Balsam auf einen Glasobjektträger montiert und mit zunehmend feinerem Schleifkorn glatt geschliffen, bis die Probe eine dünne Scheibe von etwa 0,03 mm Dicke erreicht.

Die untersuchten Granitgesteine ​​wurden geotechnisch im Hinblick auf 1) physikalische Eigenschaften wie Wasseraufnahme, scheinbare Porosität und Schüttdichte, 2) mechanische Eigenschaften wie Druckfestigkeit und Abriebfestigkeit gemäß (ASTM C615)51 bewertet. Die Proben wurden mit einer Steinschneidemaschine wie folgt in zwei Dimensionen geschnitten: (a) 50 × 50 × 50 mm zur Messung der Wasseraufnahme und der Schüttdichte gemäß (ASTM C97)52 und der Druckfestigkeit gemäß (ASTM C170)53. (b) 50 × 50 × 25 mm zur Messung der Abriebfestigkeit gemäß (ASTM C241)54. Die Gesteinsproben wurden zugeschnitten und ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften im Marmor- und Granittestlabor (MGTL) des National Research Center (NRC) gemessen.

Die Wasserabsorption, die scheinbare Dichte, die Trockenschüttdichte und die Trockenschüttdichte an der gesättigten Oberfläche wurden nach den folgenden Gleichungen berechnet:

Die Druckfestigkeit wird nach folgender Gleichung berechnet:

Die zylindrisch geformten Gesteinsproben mit einer Länge von etwa 20 mm und einem Durchmesser von 5 mm wurden zur Messung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) und der Längenänderung (thermische Dehnung) (dL/Lo) durch schrittweises Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von 5 °C verwendet / min bis 1000 °C mit einem Dilatometer (Modell NETZSCH DIL 402 PC). Der Test wurde im Zentrallabor des Instituts am National Research Center (NRC) durchgeführt.

Dieser Artikel enthält keine von einem der Autoren durchgeführten Studien mit menschlichen Teilnehmern oder Tieren.

Alle Autoren erklären sich damit einverstanden, in der aktuellen Manuskriptversion als Autoren aufgeführt zu werden.

Die petrographische Untersuchung der Granitgesteine ​​von Gabal El Faliq wurde unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops durchgeführt, um ihre mineralogischen Bestandteile und strukturellen Merkmale zu identifizieren und einige wichtige Eigenschaften dieser Gesteine ​​aufzudecken. Basierend auf der mineralogischen Zusammensetzung und der Hauptstrukturbeziehung werden die Granitgesteine ​​von Gabal El Faliq in zwei Haupttypen unterteilt: Gneissose-Granite und Alkalifeldspat-Granite gemäß der IUGS-Klassifizierung50. Der Gneistyp (mit hauptsächlich porphyritischer Textur und länglichem Kristalltyp) umfasst die Gesteinstypen F1, F2 und F3, während der Alkalifeldspattyp (hypidiomorphe und selten porphyritische Texturen) grobkörniges Gestein vom Typ F4 und mittelkörniges Gestein aufweist Typen F5, F6 und F7. Alle Proben werden wie folgt untersucht:

Die Proben dieser Art bestehen hauptsächlich aus Plagioklas, Quarz, Kalifeldspat und kleineren untergeordneten Biotitmineralien. Plagioklas kommt als Phänokristall vor, der von feinkörnigem Quarz und Biotit umhüllt ist und eine porphyrische Textur bildet (Abb. 4a). Es kommt als mittelkörnige Kristalle vor, weist eine ausgedehnte Saussuritialisierung der Alteration auf und weist lamellare, zonierte und Carlsbad-Zwillinge auf. Es umschließt feinkörniges Chlorit poikilitisch. Kalifeldspäte werden durch Perthit und selten durch Mikrokline repräsentiert. Perthit weist einen xenomorphen fleckigen Typ auf, der hauptsächlich Plagioklas umhüllt. Quarze reichen von mittel- bis feinkörnigen Kristallen. Es zeigt eine deutliche undulose Ausdehnung aufgrund von Verformungsprozessen. Gewöhnlich kommt es in Form länglicher Kristalle vor (Abb. 4b). Biotit kommt als feinkörnige (Fetzen), schuppige Kristalle vor, die teilweise bis vollständig zu Chlorit umgewandelt sind. Die Haupttexturen dieses Gesteinstyps sind myrmekitische und porphyritische Texturen.

Mikrofotografien zeigen: (a) stark saussuritisierte Phänokristalle, umgeben von feinkörnigem Quarz und Plagioklas (F1); (b) Verlängerte Quarz- und Perthitkristalle infolge von Verformungsprozessen (F1); (c) Stark deformierte, längliche und gebrochene Perthit-Phänokristalle, umgeben von feinkörnigem Quarz (F2); (d) Phänokristalle aus Perthit, umgeben von feinkörnigem Quarz und Perthit, die eine porphyrische Textur bilden (F2); (e) Feinkörnige längliche Quarz- und Feldspatkristalle (F3); und (f) Perthit-Phänokristalle, die feinkörniges Plagioklas einschließen und eine poikiolitische Textur ergeben (F3).

Die Proben dieses Typs sind mittelkörnig mit rosa Farbe im Handexemplar. Es besteht hauptsächlich aus Kalifeldspat, Quarz und kleineren untergeordneten Plagioklasmineralien. Kalifeldspäte werden durch Perthit (mit einer klaren wurmartigen Form) vom flammigen Typ dargestellt, der größtenteils gebrochen und mit Sekundärquarz gefüllt ist (Abb. 4c). Im Allgemeinen kommt es in Form von Phänokristallen vor, die von feinkörnigem Quarz umgeben sind und eine porphyrische Textur bilden. Mikrokline sind selten und kommen in Form feinkörniger Kristalle vor (Abb. 4d). Quarze reichen von feinen bis mittelgroßen Kristallen mit einer deutlichen wellenförmigen Ausdehnung aufgrund von Verformungsprozessen. Plagioklas ist selten und kommt meist in feinkörniger Form vor. Es zeigt eine umfangreiche Saussuritisierung. Allanit und Zirkon sind die wichtigsten Begleitmineralien. Zirkon kommt als euhedrale Metamect-Kristalle vor. Allanit kommt als zonierte, tafelförmige Kristalle mit brauner Farbe vor.

Die Proben dieser Art bestehen im Wesentlichen aus Plagioklas, Quarz, Kalifeldspat und kleineren untergeordneten Biotitmineralien. Plagioklas kommt als Phänokristall vor, der von feinkörnigem Quarz umhüllt ist und eine porphyrische Textur bildet. Es kommt als längliche, mittelkörnige Kristalle vor und weist lamellare, Carlsbader und zonierte Zwillinge auf. Es umschließt feinkörnigen Quarz poikilitisch. Es weist eine trübe Oberfläche auf, die auf eine leichte bis starke Saussuritisierung zurückzuführen ist. Quarze liegen als feinkörnige Kristalle mit unregelmäßiger Ausdehnung vor. Im Allgemeinen ist Quarz länglich und bildet eine Gneisstruktur (Abb. 4e). Kalifeldspäte werden durch Perthit und Mikrokline repräsentiert. Perthit liegt in Form von Phänokristallen vor, die hauptsächlich feinkörnigen Plagioklas enthalten (Abb. 4f). Sie weisen aufgrund von Kaolinitisierungsprozessen eine weitgehend trübe Oberfläche auf. Biotit kommt als feinkörnige und längliche schuppige Kristalle vor. Die Hauptgefüge dieses Gesteins sind myrmekitische und porphyrische Gefüge.

In diesem Gesteinstyp sind Kalifeldspat, Quarz, Plagioklas und Muskovit die wichtigsten essentiellen Mineralien. Orthoklasperthit und Antiperthit sind die wichtigsten Kalifeldspatmineralien (Abb. 5a und b). Gelegentlich ist es gebrochen und mit Eisenoxiden gefüllt. Gelegentlich umschließt Antiperthit feinkörnige Plagioklasmineralien. Quarz liegt mittel- bis grobkörnig vor und weist sowohl eine normale als auch eine wellenförmige Ausdehnung auf. Tafelförmige Plagioklaskristalle sind teilweise bis vollständig veränderter Saussurit. Biotit kommt als feinkörnige, schuppige Kristalle vor, die meist als Clusterminerale vorliegen. Es ist zu Chlorit umgewandelt und vor allem an seinen Rändern mit Eisenoxiden befleckt.

Mikrofotografien zeigen: (a) Antiperthit-Phänokristalle, die saussuritisierten Plagioklas (F4) einschließen; (b) grobkörniger Orthoklas-Perthit (F4); (c) Gebrochener grobkörniger Orthoklas-Perthit, gefüllt mit Sekundärquarz (F7); (d) Ausgedehnte trübe Oberfläche von Plagioklaskristallen (F6); (e) Pyramidenartige Form eines Perthitkristalls, umgeben von Serizit (F6); und (f) Euhedral des Skelettquarzkristalls (F5).

Es besteht hauptsächlich aus Kalifeldspat, Quarz und Plagioklas, wobei Zirkon und Eisenoxid die wichtigsten Begleitmineralien sind. Orthoklas-Perthit und Mikrokline sind die wichtigsten Kalifeldspat-Mineralien. Sie weisen durch Kaolinitialisierungsprozesse eine leicht trübe Oberfläche auf. Es werden Reaktionsränder zwischen zwei Perthitkristallen beobachtet. Gelegentlich kommt Orthoklas-Perthit als Phänokristalle vor, eingebettet in feinkörnige Quarz- und Plagioklaskristalle (Abb. 5c). Manchmal treten sie in Form einer Pyramide auf, die von Serizitfetzen umhüllt ist (Abb. 5e). Sie sind gebrochen und mit Sekundärquarz gefüllt. Plagioklas kommt als prismatische Kristalle mit klarer, ausgedehnter, trüber Oberfläche vor (Abb. 5d). Es weist perikline und lamellare Zwillinge auf. Quarz weist eine wellenförmige Ausdehnung auf und kommt als anedrische bis subedrische Skelett-Phänokristalle vor, die eine porphyrische Textur bilden (Abb. 5f). Die schuppigen Biotitkristalle werden teilweise in Chlorit umgewandelt. Es trat ein Hochrelief euhedraler Zirkonkristalle auf. Die Zusammenfassung der petrographischen Beschreibung der verschiedenen Granitgesteinsarten ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die petrographische Beschreibung der untersuchten Granite zeigte Verformungseffekte, die sich in der Fragmentierung von Quarz- und Plagioklaskristallen äußerten. Darüber hinaus können die physikalisch-mechanischen Eigenschaften auch durch Veränderungsprozesse wie Saussuritisierung und Chloritbildung sowie Kristallverformung beeinflusst werden.

Einundzwanzig Proben von sieben plutonischen Gesteinsarten aus dem Gebiet Gabal El Faliq wurden chemisch auf Hauptoxide (%) und Spurenelemente (ppm) analysiert und in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt. Aus diesen Tabellen geht hervor, dass die untersuchten Gesteine ​​​​eine aufweisen große Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung.

Die geochemischen Eigenschaften der Granitintrusion von Gabal El Faliq wurden bereits zuvor untersucht45. Dieser Abschnitt befasst sich mit der geochemischen Zusammensetzung variabler Granitgesteine ​​im Gebiet Gabal El Faliq. Die wichtigsten Oxide und Spurenelemente der untersuchten Gesteinsarten wurden mittels RFA analysiert und die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.

Aus Tabelle 2 geht hervor, dass die untersuchten Gesteine ​​eine große Variation in ihrer chemischen Zusammensetzung aufweisen. Der Gehalt an SiO2 variiert zwischen 71,34 und 77,73 % (durchschnittlich 73,49 %), Al2O3 zwischen 11,85 und 14,66 % (durchschnittlich 13,79 %), der Gesamtgehalt an Fe2O3T zwischen 1,38 und 3,21 % (durchschnittlich 2,04 %). Der Gesamtgehalt an Alkalien (K2O+Na2O) liegt zwischen 5,77 und 11,22 % (durchschnittlich 8,5 %).

Der Granitgesteinstyp (F2) wies im Vergleich zu anderen Gesteinen des Untersuchungsgebiets den höchsten Siliciumdioxidgehalt (durchschnittlich 76,22) und den niedrigsten Aluminiumoxidgehalt (durchschnittlich 12,45) auf. Aufgrund der petrographischen Untersuchung wird dieser Gesteinstyp jedoch (aufgrund der äußeren Verformungen) als Gneisgranit klassifiziert. Darüber hinaus ist dieser Typ aufgrund seiner mineralogischen Komponente relativ frisch (Plagioklas zeigt Saussuritizierung). Daher kann ihre chemische Zusammensetzung auf eine starke Feldspatfraktionierung zurückgeführt werden.

Variablendiskriminierungsdiagramme können zur Klassifizierung der untersuchten Granitgesteine ​​im Gebiet Gabal El Faliq verwendet werden. In Bezug auf das R1-R2-Diagramm55 befinden sich alle Gesteinsproben (F2, F5, F6 und F7) im Alkali-Granit-Feld, mit Ausnahme der Proben (F1 und F3), die im Granitfeld aufgetragen sind (Abb. 6a). Weitere Einschränkungen, basierend auf dem ternären Ab-Or-An-Diagramm50, liegen die Proben (F1 und F3) im Syenogranitfeld, während andere sich im Alkalifeldspat-Granitfeld befinden (Abb. 6b).

Geochemische Diagramme der Granitgesteine ​​von Gabal El Faliq: (a) R1-R2-Diagramm von (De la Roche et al., 1980)55; (b) Ab-Or-An normatives Diagramm von (Streckeisen, 1976)50; (c) AFM-Ternärdiagramm von (Irvine und Baragar, 1971)56 und (d) ACNK vs. ANK-Binärdiagramm von (Shand, 1951)57.

Auffällig ist, dass die untersuchten Gesteinsproben eine kalkalkalische Affinität aufweisen (Abb. 6c) gemäß AFM-Diagramm (Na2O+K2O-Fe2O3T-MgO)56. Als weitere Einschränkung wird ihre kalkalkalische Signatur durch ihren Agpaitindex (AI) < 0,87 nahegelegt. Darüber hinaus zeigten sie eine „Peraluminium-Affinität“, angezeigt durch den Aluminiumoxid-Sättigungsindex (ASI), wobei A/CNK > 1,1. Dies wird durch das A/CNK-A/NK-Binärdiagramm57 (Abb. 6d) unterstützt.

Andererseits weisen die untersuchten Proben der Granitintrusion von Gabal El Faliq im Vergleich zu anderen Proben eine große Abweichung von den Proben (F1 und F3) (Syenograniten) auf, die mit Biotit und Plagioklas angereichert sind. Es wird beobachtet, dass sie im Vergleich zum Durchschnittswert (durchschnittlich 24,44 ppm für Sr und 109 für Ba) der anderen Proben (F 2, 4) mit Sr (durchschnittlich 159,5 ppm) und Ba (durchschnittlich 298,5 ppm) angereichert sind , 5, 6 und 7). Mehrspurige Elemente werden auf den primitiven Mantel normalisiert (Abb. 7a). Sie weisen starke K-, Ba-, Sr- und Ti-negative Anomalien auf, was auf eine stark fraktionierte Kristallisation von Feldspäten und Titanitmineralien zurückzuführen ist. Kontrovers, sie offenbaren positive Rb-, Pb-, Zr- und Y-Anomalien.

Geochemische Diagramme der Granitgesteine ​​von Gabal El Faliq: (a) Mehrfachspurenelemente, normalisiert auf den primitiven Mantel durch (Sun und McDonough 1989)56,58; (b) Zr vs. 104Ga/Al-Binärdiagramme von (Whalen et al. 1987)59; (c) Nb + Y vs. Rb-Binärdiagramm von (Pearce et al. 1984)60; (d) Diskriminierungsdiagramm von (Sylvester 1989)61, in dem die Gesteine ​​> 68 Gew.-% haben. % SiO2; und (e) Quell-ternäres Diagramm von (Laurent et al. 2014)62.

Es ist allgemein bekannt, dass die Granitgesteine ​​synorogenen (kalkalkalischen), spätpostorogenen, hochfraktionierten Granitoiden (kalkalkalisch bis alkalisch) und postorogenen (alkalischen) Granitgesteinen zuzuordnen sind7,18. Die grauen Granitgesteine ​​stellen die älteren dar und umfassen Gesteine ​​wie Tonalit und Granodiorit, die in Vulkanbögen entstanden sind, wohingegen die jüngsten Gesteine ​​(alkalisch) üblicherweise innerhalb von Platten-/Rift-Graniten liegen15,16,19,21.

In der aktuellen Forschung möchten die Autoren die mineralogisch-chemische Zusammensetzung der untersuchten Gesteine ​​und ihr tektonisches Regime mit ihren geotechnischen und ingenieurwissenschaftlichen Aspekten verknüpfen. Mithilfe der geochemischen Diagramme werden daher alle untersuchten Granitgesteine ​​durch hochentwickelte kalkalkalische Granitgesteine ​​(gebildet durch fraktionierte Kristallisation vom I-Typ) des postorogenen Regimes dargestellt.

Die tektonische Lage der untersuchten Gesteine ​​kann anhand mehrerer geotektonischer Diagramme dargestellt werden. Die untersuchten Gesteine ​​enthalten einen hohen Gehalt an Zr und ein Ga/Al-Verhältnis, was auf orogene Granite (A-Typ) hinweist59, mit Ausnahme der Probe Nr. F1, deren Parzelle eine I-Typ-Affinität aufweist (Abb. 7b). Dieses Ergebnis wird durch das Binärdiagramm60 gestützt, in dem alle Proben im A-Typ-Feld dargestellt werden, während die F1- und F3-Proben aufgrund des geringeren Gehalts an Y- und Nb-Elementen im Feld der vulkanischen Bogengranite dargestellt werden. Darüber hinaus liegen alle Proben innerhalb postkollisionsbedingter Granite. Dennoch weisen einige dieser im Bereich der A-Typ-Granite aufgetragenen Proben geochemische Eigenschaften von kalkalkalischen Graniten (Abb. 7c) und hochfraktionierten kalkalkalischen Gesteinen61 (Abb. 7d) auf. Dies hängt mit der ausgedehnten fraktionierten Kristallisation der Schmelze vom I-Typ (Tonalit)62 zusammen (Abb. 7e).

Basierend auf der chemischen Analyse (Oxidprozentsätze) der untersuchten Granitgesteine ​​mittels RFA (Röntgenfluoreszenz) wurde die Mineralzusammensetzung dieser Gesteine ​​mithilfe der „CIPW-Klassifizierung“ berechnet. Diese Klassifizierung basierte auf der Umstrukturierung der chemischen Analyse von Prozentsätzen an Oxiden zu Mengen an „Standardmineralien“50,63, wie in (Tabelle 4) angegeben. Die hypothetische Standardmineralzusammensetzung des untersuchten Granitgesteins basierend auf der „CIPW-Klassifizierung“ ergab, dass die vorherrschende mineralogische Zusammensetzung in allen untersuchten Gesteinen in der folgenden Reihenfolge ermittelt wird: „Quarz: SiO2“, „Albit: NaAlSi3O8“, „Orthoklas: KAlSi3O8“, „Anorthit: CaAl2Si2O8“ zusammen mit einigen Begleitmineralien wie „Apatit: Ca5(Cl.F) (PO4)3“, „Rutil: TiO2“, „Korund: Al2O3“ zusätzlich zur Eisenmineralgruppe wie „Hämatit“. : Fe2O3“, „Ilmenit: FeTiO3“.

Diese Mineralien wurden je nach Gesteinsart in unterschiedlichen Anteilen nachgewiesen. Es wurde festgestellt, dass der Quarzgehalt zwischen (durchschnittlich 27,86 %) für (F1-Gesteinstyp) und (durchschnittlich 38,129 %) für (F2-Gesteinstyp) schwankte. Bezüglich des vorherrschenden Feldspat-Mineralgehalts wurde festgestellt, dass „Albit“ das wichtigste Plagioklas-Mineral ist, mit einem durchschnittlichen Gehalt zwischen (23,83 %) für (F2-Gesteinstyp) und (41,56 %) für (F6-Gesteinstyp). Das zweithäufigste Feldspatmineral ist Alkalifeldspat, insbesondere „Orthoklas“, mit einem durchschnittlichen Gehalt zwischen (20,79 %) für (F3-Gesteinstyp) und (32,129 %) für (F2-Gesteinstyp).

Die geotechnische Bewertung von Granitgesteinen im Hinblick auf technische Eigenschaften und thermisches Verhalten sind die wichtigsten Parameter zur Bewertung ihrer Eignung als Dimensions- oder Ziersteine ​​für Bau- und Bauzwecke51. Gemäß der ASTM-Spezifikation wurden die Anforderungen an Granitgesteine ​​für die Verwendung als Dimensionssteine, einschließlich (Wasseraufnahme, Dichte, Druckfestigkeit, Bruchmodul, Abriebfestigkeit und Biegefestigkeit), unter dem Begriff „physikalische Eigenschaften“ aufgeführt.

In der vorliegenden Studie wurden die technischen Eigenschaften der untersuchten Granitgesteine ​​im Gebiet Gebel El-Faliq in zwei Gruppen unterteilt: (1) die Gruppe der physikalischen Eigenschaften, einschließlich (Wasserabsorption und Schüttdichte zusätzlich zur scheinbaren Porosität); und (2) die Gruppe der mechanischen Eigenschaften, einschließlich (Druckfestigkeit, Abriebfestigkeit). Diese Eigenschaften wurden grafisch dargestellt und in (Abb. 8 und 9) dargestellt.

Physikalische Eigenschaften der Granitgesteine ​​von Gebel El-Faliq und ihre Beziehungen zur mineralogischen Zusammensetzung.

Mechanische Eigenschaften von Gebel El-Faliq-Granitgesteinen und ihre Beziehungen zu physikalischen Eigenschaften und mineralogischem Gehalt.

Abbildung 8 zeigt die physikalischen Eigenschaften der untersuchten Granitgesteine, und es wurde beobachtet, dass die Ergebnisse der Wasserabsorption (Abb. 8a) zwischen 0,06 % für (F2-Gesteinstyp) und 0,34 % für (F7-Gesteinstyp) lagen Übereinstimmung mit den Ergebnissen ihrer scheinbaren Porosität (Abb. 8b), die jeweils zwischen 0,15 % und 0,88 % lagen, was den sehr starken positiven Zusammenhang zwischen scheinbarer Porosität und Wasseraufnahme bestätigt. Die Variation dieser Eigenschaften kann mit der Variation der mineralogischen Zusammensetzung zusammenhängen, wie in (Abb. 8c und d) gezeigt. Diese Abbildung zeigt, dass sich die Wasseraufnahme entsprechend dem Albitgehalt verhält, während sie im Fall von Orthoklas ein umgekehrtes Verhalten aufweist.

Die Werte der Wasseraufnahme liegen innerhalb der Standardspezifikationsgrenzen (< 0,40 %)51. Die aktuellen Ergebnisse wurden parallel zu den Ergebnissen von (Alzahrani et al. 20227 und Rashwan et al. 202332) für verschiedene Granitarten gefunden, die bei der Wasseraufnahme zwischen 0,14 % und 0,52 % und bei der scheinbaren Porosität zwischen 0,36 % und 1,36 % lagen . Im Gegenteil, andere Studien wie (Siegesmund et al. 201822, Török und Török 201564 und Freire-Lista et al. 202265) untersuchten mehrere Arten von magmatischen Gesteinen und verzeichneten hohe Wasserabsorptions- und scheinbare Porositätswerte, die im Bereich von 0,78 % lagen. auf 3,53 % und von 0,3 % auf 6,66 %; jeweils.

Die Ergebnisse der Schüttdichte (trocken und nass) der untersuchten Granitgesteine ​​wurden veranschaulicht (Abb. 8e und f). Aus dieser Abbildung geht hervor, dass die Werte der Trocken- und Nassdichten zwischen 2604,03 kg/m3 und 2611,72 kg/m3 (F 6 – Gesteinstyp) und 2642,4 kg/m3 und 2645,02 kg/m3 (F 1 – Gesteinstyp) lagen; jeweils. Diese Ergebnisse stimmten in umgekehrter Beziehung mit den Ergebnissen der scheinbaren Porosität überein, wie in (Abb. 8g) gezeigt. Obwohl die scheinbaren Porositätswerte von (F3 und F6 – Gesteinsarten) ähnlich sind, gibt es zwischen ihnen einen Unterschied in der Schüttdichte. Daher wurde die Variation der Werte der Gesteinsdichten als Funktion ihres mineralogischen Gehalts betrachtet, wobei zwischen dem Albitgehalt der Gesteine ​​und ihrer Schüttdichte eine umgekehrte Beziehung besteht (Abb. 8h), während zwischen Quarz und Orthoklas eine positive Beziehung besteht Der Inhalt der Gesteine ​​und ihre Schüttdichte wurden angegeben (Abb. 8i). Da Albit im Gegensatz zu Orthoklas die Hauptmineralzusammensetzung der untersuchten Granitgesteine ​​ist, besteht ein umgekehrter Zusammenhang zwischen dem Gesamtfeldspatgehalt und der Schüttdichte (Abb. 8j).

Die Werte der Schüttdichte der vorliegenden Studie ähnelten den Ergebnissen von (Alzahrani el al. 2022)7 im Bereich von 2582 bis 2644 kg/m3, (Török und Török 2015)64 im Bereich von (2,58– 2,68 g/cm3), (Rashwan et al. 2023)32 im Bereich von 2590 bis 2748 kg/m3, (Dionísio et al. 2021)66 im Bereich von 2,48–2,63 g/cm3 und (Freire-Lista et al . 2022)65 2461–2649 kg/m3.

Beim Vergleich der Ergebnisse der Rohdichte mit der Standardspezifikation für Granitdimensionssteine ​​gemäß (ASTM C615)51 wurde festgestellt, dass alle untersuchten Gesteine ​​die Anforderungen erfüllten (2560 kg/m3 als Mindestgrenze).

Druckfestigkeit und Abriebfestigkeit sind die wichtigsten mechanischen Eigenschaften, die die Haltbarkeit und Festigkeit von Gesteinen beurteilen, die als Maßsteine ​​für Bauzwecke verwendet werden sollen.

Die Ergebnisse der Druckfestigkeit und Abriebfestigkeit von Gebel El-faliq-Granitgesteinen wurden grafisch dargestellt (Abb. 9). Es wurde beobachtet, dass die Druckfestigkeitswerte zwischen 98,03 MPa (999,68 kg/cm2) für (F4-Gesteinstyp) und 242,13 MPa (2469,10 kg/cm2) für (F2-Gesteinstyp) lagen, wie in (Abb. 9a). Die Schwankung der Druckfestigkeitsergebnisse könnte eine Funktion mehrerer Parameter sein, wie etwa der scheinbaren Porosität (Abb. 9b), der Schüttdichte (Abb. 9c) und dem Feldspatgehalt (Abb. 9d). Aus diesen Beziehungen wurde beobachtet, dass die Druckfestigkeit mit zunehmender scheinbarer Porosität und Plagioklas abnimmt, mit zunehmender Schüttdichte und zunehmendem Alkalifeldspatgehalt jedoch zunimmt.

Die Ergebnisse der Abriebfestigkeit, wie in (Abb. 9e) dargestellt, reichten von 29,67 ha (0,462 mm Abriebtiefe) für (Gesteinstyp F7) bis 54,64 ha (0,298 mm Abriebtiefe) für (Gesteinstyp F2). Da die Porosität eines Gesteins den Zusammenhalt zwischen seinen Körnern schwächen und folglich seine Haltbarkeit verringern kann (Abb. 9f), zeigt sich ein positiver Zusammenhang zwischen den Abriebfestigkeitswerten (Ha) der untersuchten Gesteine ​​und ihren scheinbaren Porositäten.

Beim Vergleich der Ergebnisse zur Druckfestigkeit und Abriebfestigkeit der untersuchten Granitgesteine ​​mit der Standardspezifikation für Granitdimensionssteine51 wurde festgestellt, dass alle Gesteinsarten die minimale Abriebfestigkeitsgrenze (25 ha) erreichten. Im Fall der Druckfestigkeit erfüllten die Gesteinsarten (F1, F2, F5 und F7) die Anforderungen an die Druckfestigkeitsgrenze (131 MPa als Mindestgrenze), während dies bei den übrigen Gesteinsarten (F3, F4 und F6) der Fall war Sie liegen zwar geringfügig unter den Mindestanforderungen derselben Spezifikation, können jedoch für leichte Zwecke wie den Innenbereich und für den Außenbereich wie die Gebäudeverkleidung geeignet sein. Darüber hinaus können sie verwendet werden, sofern sie hinsichtlich Wärmeausdehnung, Haltbarkeit, Elastizitätsmodul und permanenter Volumenänderung bewertet werden51. Die Zusammenfassung der technischen Eigenschaften der untersuchten Granitgesteinstypen im Gebiet Gabal El-Faliq ist in (Tabelle 5) dargestellt.

Das Phänomen der Wärmeausdehnung tritt bei steigender Temperatur in allen Stoffen und in allen Materieformen auf. Dazu gehört auch die Kontraktion der Materie bei sinkender Temperatur. Bei diesem Phänomen verändern sich Form, Länge und Volumen der Substanz mit der Temperatur67. Daher kann die Zunahme der linearen Abmessungen, wie z. B. der Länge, jedes Materials mit Temperatur zur Quantifizierung seiner Wärmeausdehnung68 verwendet werden.

Wie bereits erwähnt, ist die thermische Ausdehnung infolge der Wärmeübertragung einer der Gründe für die Verschlechterung des Gesteins. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Granitgesteinen ist die thermische Wirkung an der Gesteinsoberfläche daher stärker als im Inneren, und es entsteht eine Spannungskraft, die zur Bildung von Rissen in der äußeren Gesteinsoberfläche führt23.

Die numerischen Formeln zur Berechnung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten können in zwei große Kategorien eingeteilt werden; Bei der ersten handelt es sich um eine „temperaturbereichsabhängige Expansion“, während es sich bei der zweiten um eine „einzelne temperaturabhängige Expansion“ handelt.

Die erste Kategorie ist definiert als „der Durchschnitt oder mittlere Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung (αm) über einen Temperaturbereich68,69,70,71 gemäß der folgenden allgemeinen Gleichung:

Dabei bezieht sich αm auf die Steigung der Sehne zwischen zwei Punkten auf der Kurve der Länge über der Temperatur (Abb. 7)68,69 und stellt somit die Ausdehnung über einen bestimmten Temperaturbereich von T1 bis T2 dar, Lo stellt den Anfang dar Die Länge der Probe bei der Temperatur To (Referenztemperatur), die sich bei der Temperatur T1 auf L1 und dann bei der Temperatur T2 auf L2 ausdehnt, während ΔL die Änderung der Länge der Probe bei der Temperaturänderung ΔT ist.

Die zweite Kategorie wird als „wahrer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (αT)“ bezeichnet, der sich auf die Ableitung (dL/dT) bei einer einzelnen Temperatur bezieht68,69, der gemäß der folgenden Gleichung definiert werden kann:

Dabei ist αT die Steigung der Tangente an die Längenkurve über der Temperatur, wie in (Abb. 10)68 dargestellt, und dL/Lo ist die Ableitung der thermischen Spannung72. Die Ergebnisse des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) sowie der Änderung der Probenlänge als Funktion der Temperaturänderung für das untersuchte intrusive Granitgestein im Gebiet Gebel El-Faliq wurden in (Abb. 10) grafisch dargestellt und in der Tabelle dargestellt 6.

(A) Änderung der Materiallänge (L) als Funktion der Temperatur (T) (James et al. 2001)68; (F1–F7) Änderung des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) und der thermischen Spannung verschiedener intrusiver Granitgesteine ​​bei steigenden Temperaturen.

Abbildung 10 zeigt die Änderung der Probenlänge (dL) als Funktion der thermischen Dehnung (dL/Lo, %) sowie den thermischen Koeffizienten (αm, αT) unter dem Einfluss der Temperaturerhöhung (T) bis zu 1000 °C. Anhand dieser Abbildung lässt sich eine Zunahme der Länge der Probe mit einer allmählichen Erwärmung des Gesteins über den gesamten Temperaturbereich beobachten, während der Wärmekoeffizient gerade bis auf (~573 °C) anstieg und über diesem Temperaturgrad wieder abnahm. Es gab eine Variation in den Werten sowohl der Änderung der Probenlänge (dL) als auch des mittleren Wärmekoeffizienten (αm) über den Temperaturbereich zwischen den untersuchten Gesteinen, wie in (Tabelle 6) angegeben. Diese Variation kann durch mehrere Parameter wie folgt beeinflusst werden:

Es war bekannt, dass die intrusiven magmatischen Gesteine ​​eine multimineralogische Zusammensetzung aufweisen und die Hauptmineralzusammensetzung aus Quarz und Feldspat (zwei Arten) sowie kleineren Mineralien in unterschiedlichen Anteilen besteht. Bei 100 °C führte der Anstieg des Quarzgehalts zu einer Erhöhung der Länge und des Ausdehnungskoeffizienten der Probe (Abb. 11a), während der Anstieg des Gesamtfeldspatgehalts (Abb. 11b) und die Kombination von Quarz- und Feldspatgehalt (Abb. 11c) führte zu einer Verringerung der Probenlänge und des Ausdehnungskoeffizienten. Dies ist auf den hohen Wärmekoeffizientenwert des Quarzminerals (ca. 16,66 × 10−6/°C) im Vergleich zu dem der Feldspatgruppe (4,16 × 10−6/°C für Plagioklas und 3,68 × 10−6/°C für) zurückzuführen Alkalifeldspat)67. Wie in (Tabelle 6) angegeben, wurden die Mindestwerte der linearen Ausdehnung zusammen mit dem Ausdehnungskoeffizienten für (F2-Perthit-Gneissose-Granite aus mittelkörnigen Kristallen) mit (0,0021 %) und (0,30 × 10-6/K−1) aufgezeichnet ), während die Maximalwerte für (F3-Biotit-Gneissose-Granite aus feinkörnigen Kristallen) mit (0,0385 %) bzw. (5,531 × 10-6 /K−1) aufgezeichnet wurden.

Lineare Wärmeausdehnung (LTE) von Granitgesteinen von Gabal El-Faliq als Funktion der mineralogischen Zusammensetzung (Quarz-, Feldspatgehalt).

Dementsprechend zeigten die Auswirkungen des Quarz- und Gesamtfeldspatgehalts auf das thermische Verhalten der untersuchten Gesteine ​​bei erhöhten Temperaturen eine Ähnlichkeit mit dem bei niedrigeren Temperaturen. Beispielsweise führte der Anstieg des Quarz- und Feldspatgehalts bei ~573 °C zu einer Zunahme bzw. Abnahme der linearen Ausdehnung und des Ausdehnungskoeffizienten (Abb. 11d–f).

Wie in (Tabelle 6) aufgeführt, lagen die Werte der Änderung der Probenlänge der untersuchten Gesteine ​​zusammen mit ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten bis (~573 °C) zwischen (1,2603 %) und (23,009 × 10−6 / K-1). ) für (F7-Alkalifeldspat-Granit mittlerer Körnung) bis (2,0215 %) und (37,962 × 10−6 / K−1) für (F4-Alkalifeldspat-Granit grober Körnung). In Bezug auf das thermische Verhalten der untersuchten Gesteine ​​(bis zu ~573 °C) und ihre mineralogische Zusammensetzung ergab sich ein positiver Zusammenhang mit dem Quarzgehalt (Abb. 11d), während ein negativer Zusammenhang mit dem Gesamtfeldspatgehalt (Abb. 11e) bestand. .

Der Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung (Quarz und Feldspat) der untersuchten Granitgesteine ​​auf ihr thermisches Verhalten ähnelte den Ergebnissen von (Siegesmund et al. 201822, De Castro und Paraguass 200423).

Hinsichtlich der Auswirkung höherer Temperaturen über (~573 °C) auf das thermische Verhalten der untersuchten Gesteine ​​wurde eine deutliche Verringerung der Werte des Wärmekoeffizienten (αm) beobachtet. Dies kann auf den Phasenübergang des Quarzminerals von (α zu β) zurückgeführt werden, der bei 573 °C7 auftritt und die physikalischen Eigenschaften von Gesteinen beeinflussen kann72. Eine solche Reduzierung schien den Ergebnissen von (Alzahrani et al. 2022)7 zu ähneln. Laut (Plevova et al. 2016)25 zeigten die Gesteine ​​mit hohem Quarzgehalt einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten beim Erhitzen über ~ 573 °C (α-β-Quarzphasenübergang).

Bezüglich der Wärmeausdehnungskoeffizienten bei bestimmten Temperaturen, nämlich (wahrer Wärmeausdehnungskoeffizient, αT), zeigt (Abb. 10) nur einen scharfen Peak (Anstieg) für alle untersuchten Granitgesteine ​​bei etwa 573 °C. Die thermischen Koeffizientenwerte bei dieser Temperatur reichten von (140 x 10−6 / K−1) für (F-1 Biotit-Gneissose-Granite mit mittlerer Körnung) bis (250 x 10−6 / K−1) für (F -4 Alkalifeldspat-Granite mit grober Körnung). Eine solche Variation der αT-Werte kann auf die Variation der Mengen an Quarz- und Feldspatmineralien zwischen den untersuchten Granitgesteinen zurückgeführt werden, wie in (Tabelle 4) dargestellt. Abbildung 11f veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Quarz- und Feldspatgehalt in den untersuchten Granitgesteinen und der Intensität der Thermik. Der plötzliche Anstieg des Wärmeausdehnungskoeffizienten bei etwa 573 °C könnte mit dem Übergangszustand des Quarzminerals von der α-Quarz- zur β-Quarzphase zusammenhängen7,69.

Ähnlich wie die mineralogische Zusammensetzung zeichnen sich die intrusiven Granitgesteine ​​durch einen hohen Gehalt an Siliziumoxid (SiO2) aus, der in dieser Studie zwischen (72,417 und 76,225 %) liegt, zusätzlich zu Flussmitteln oder Alkalioxiden (Na2O und K2O). In der vorliegenden Studie wurde der Zusammenhang zwischen der chemischen Hauptzusammensetzung der untersuchten Granitgesteine, dargestellt durch (SiO2 und Na2O + K2O), und ihrem thermischen Verhalten bei niedrigen und hohen Temperaturen in (Abb. 12) dargestellt.

Lineare Wärmeausdehnung (LTE) von Gabal El-Faliq-Granitgesteinen als Funktion der chemischen Zusammensetzung (SiO2, Na2O+K2O) und physikalischen Eigenschaften (scheinbare Porosität, Schüttdichte).

Bezüglich der Auswirkung der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Intrusivgesteine ​​auf ihr Ausdehnungsverhalten wurde beobachtet, dass die Gesteinsproben mit hohem (SiO2, %) und (Na2O+K2O, %) niedrigere Werte der linearen Wärmeausdehnung erreichten als die von geringere Gehalte bei niedrigeren Temperaturen (100 °C) (Abb. 12a,b).

Im Gegensatz dazu war die Auswirkung des (SiO2, %)-Gehalts auf das thermische Verhalten der untersuchten Gesteine ​​bei erhöhten Temperaturen (~ 573 °C) unterschiedlich, wobei ein positiver Zusammenhang zwischen dem SiO2-Gehalt der Gesteinsproben und ihrer thermischen Ausdehnung besteht Werte (Abb. 12c).

Abbildung 12d–f zeigt das lineare Wärmeausdehnungsverhalten verschiedener Granitgesteinsarten im Gebiet Gebel El-Faliq als Funktion ihrer physikalischen Eigenschaften wie scheinbare Porosität und Schüttdichte. Laut (Siegesmund et al. 2018)22 können Mikrorisse je nach Größe, Dichte und Ausrichtung die Mineralausdehnung verhindern oder verstärken und könnten daher eine wichtige Rolle bei der Wärmeausdehnung spielen. Laut (De Castro und Paraguass 2004)23 führte die Zunahme der scheinbaren Porosität und Korngröße von Mineralien zu einer Verringerung der Wärmeausdehnung einiger brasilianischer Granitgesteine.

In der vorliegenden Studie kann ein positiver Zusammenhang zwischen der scheinbaren Porosität der Granitgesteine ​​und ihrem thermischen Verhalten bei niedrigeren Temperaturen (bis zu 100 °C) beobachtet werden, während bei höheren Temperaturen (bis zu ~ 573 °C) ein negativer Zusammenhang beobachtet wird . Im Gegenteil lässt sich ein positiver Zusammenhang zwischen der Schüttdichte der untersuchten Gesteine ​​und ihrer linearen Wärmeausdehnung bei höheren Temperaturen (bis ~ 573 °C) feststellen.

Die geotechnische Bewertung von Gesteinen zur Verwendung als Maß- oder Ziersteine ​​für verschiedene Bau- und Strukturzwecke erfordert mehrere geologische und geotechnische Studien. In der vorliegenden Studie wurden die geologischen Studien in Bezug auf Petrographie, Mineralogie und Geochemie zusammen mit den geotechnischen Messungen oder technischen Eigenschaften in Bezug auf physikalisches, mechanisches und thermisches Verhalten auf verschiedene Arten neoproterozoischer magmatischer Gesteine ​​namens „Granit“ angewendet. auf kommerzieller Basis aus dem Gebiet Gebel El-Faliq, Zentralöstliche Wüste, Ägypten, um ihre Eignung für die Verwendung als Dimensionssteine ​​für verschiedene dekorative Zwecke zu bestimmen. Die Ergebnisse geologischer und geotechnischer Untersuchungen wurden wie folgt gezogen:

Basierend auf der petrographischen Untersuchung wurden die untersuchten Intrusivgesteine ​​in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Gneisgranite (Biotit-Perthit) mittlerer bis feiner Körnung und Alkalifeldspat-Granite grober bis mittlerer Körnung. Darüber hinaus wurden auch einige Alterationsmineralien wie Chlorit, Saussurit und Serizitmineralien petrographisch nachgewiesen.

Die geochemischen Untersuchungen der untersuchten Gesteinstypen ergaben, dass die Hauptmineralzusammensetzung aus Albit, Orthoklas und Quarz in unterschiedlichen Anteilen besteht, zusammen mit einigen Begleitmineralien wie Apatit und Rutil sowie einigen kleineren Mengen an Mineralien der Eisengruppe wie Hämatit und Ilmenit .

Die geotechnischen Messungen ergaben, dass die maximale Wasseraufnahme und die scheinbare Porosität 0,34 % bzw. 0,77 % betragen, während die minimale Schüttdichte 2604,03 kg/m3 beträgt. Die Ergebnisse der Druckfestigkeit lagen zwischen 999,68 und 2469,10 kg/cm2, während die Ergebnisse der Abriebfestigkeit zwischen 29,67 und 54,64 ha schwankten. Wenn man die petrographische Analyse von Gesteinen mit ihrer technischen Leistung verknüpft, wird beobachtet, dass die Mineralzusammensetzung einen bemerkenswerten Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften hat. Der Anstieg des Albitgehalts führte zu einer Erhöhung der Wasseraufnahme bei gleichzeitiger Abnahme der Schüttdichte und Druckfestigkeit. Bei Orthoklas-Gehalt kehrt sich dieser Effekt um. Darüber hinaus führt die Zunahme der Korngröße des Gesteins zu einer Zunahme der scheinbaren Porosität und damit zu einer Abnahme der Druckfestigkeit und der Abriebfestigkeit.

Die untersuchten Gesteinsarten zeigten große Schwankungen in ihrer Wärmeausdehnung bei Änderungen der Temperaturen, der Mineralzusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften. Durch die schrittweise Erwärmung erhöhte sich der Wärmeausdehnungskoeffizient auf etwa 573 °C. Der Anstieg des Quarzgehalts führte zu einem Anstieg des Ausdehnungskoeffizienten. Im Gegenteil führte die Erhöhung des Feldspatgehalts zu einer Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten. Die Zunahme der scheinbaren Porosität führte zu einem Anstieg der Wärmeausdehnung bis zu 100 °C, wobei die maximale Änderung der Gesteinslänge 0,038 % nicht überschritt, was die Eignung der Granitsteine ​​für dekorative Zwecke im Außenbereich (Verkleidung/Pflasterung) unter variablen Bedingungen bestätigt Temperaturbedingungen.

Beim Vergleich der Ergebnisse der technischen Eigenschaften mit den Grenzwerten einer Standardspezifikation in Bezug auf Dimensionssteine ​​aus Granit wurde festgestellt, dass die Anforderungen der untersuchten Granitgesteine ​​als Dimensionssteine ​​erfüllt wurden.

Basierend auf den erzielten Ergebnissen wird dringend empfohlen, diese Arten von magmatischem Granitgestein als Gebäudebodenbelag für leichte Beanspruchungen im Innenbereich oder als Gebäudeverkleidung für den Außenbereich zu verwenden.

Die Größe und Ausrichtung (Richtung) der Mineralkristalle sowie die Mineralalterationen in den magmatischen Gesteinen sollten intensiv untersucht werden. Diese Parameter gelten als wichtige Parameter, die eine erhebliche Rolle für die Eigenschaften von Gesteinen unter Temperaturschwankungen und Belastungen spielen können.

Alle Angaben zur Daten- und Materialverfügbarkeit sind im Text des Manuskripts enthalten.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren schätzen alle Bemühungen des „Marble and Granite Test Lab“ (MGTL) am National Research Center (NRC) sehr, einschließlich physikalischer und mechanischer Messungen der gesammelten Gesteinsproben. Besonderer Dank geht an Professor Basel Shalaby vom National Research Center für die Durchsicht und Bearbeitung des Manuskripts. Vielen Dank an das X-Ray Testing Lab (RFA) für die chemische Analyse der Steinproben.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Die Autoren erklären, dass während der Erstellung dieses Manuskripts keine Gelder, Zuschüsse oder sonstige Unterstützung erhalten wurden.

Geologische Abteilung, Fakultät für Naturwissenschaften, Al-Azhar-Universität, PO 11884, Kairo, Ägypten

El Saeed R. Lasheen

Abteilung für Geologische Wissenschaften, Nationales Forschungszentrum, 33 El Bohooth st. (ehemals El Tahrir St), Dokki, PO 12622, Gizeh, Ägypten

Mohammed A. Rashwan und Mokhles K. Azer

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Die Studie wurde von [MAR] konzipiert und gestaltet. Die Proben wurden von [MKA] gesammelt und von [MAR] und [ESRL] vorbereitet und analysiert. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von [MAR] und [ESRL] verfasst und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Die physikalischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften wurden von [MAR] untersucht, während die petrographischen und geochemischen Untersuchungen von [ESRL] durchgeführt wurden. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt. Alle Autoren sind mit der Veröffentlichung dieses Manuskripts in der Zeitschrift Scientific Reports einverstanden.

Korrespondenz mit Mohammed A. Rashwan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 07. September 2022

Angenommen: 04. Juni 2023

Veröffentlicht: 26. Juni 2023

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

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