矿物与岩石.doc

第1章 矿物与岩石教学目的 ：1.掌握矿物、造岩矿物的概念及矿物的主要物理性质 ；矿物的肉眼鉴定;2.掌握岩石的形成，物质组成，结构与构造。 本章重点:矿物的物理性质；岩石的矿物成分、结构和构造；肉眼鉴定矿物、岩石的方法。本章难点: 矿物的物理性质；岩石的结构和构造。 第一节 造岩矿物一、矿物mineral矿物是指地壳中的化学元素在地质作用下形成的、具有一定化学成分和物理性质的单质或化合物。自然界的矿物按其成因可分为三大类型：1.原生矿物 :岩浆冷却2. 次生矿物 :外力风化3. 变质矿物 :内力变质作用The main minerals in the rock造岩矿物目前已发现的矿物在3 000种以上，但构成岩石的主要成分并对岩石性质起决定性影响的矿物不过30多种，它们占岩石成分的90%。一般把这些矿物称为造岩矿物，其中又以长石、石英、辉石、角闪石、橄榄石、黑云母、方解石、白云石最重要，它们的含量决定了岩石的名称及主要性质。二、矿物的物理性质1. 晶形Crystal form ：单晶和集合体2. 颜色colour（1）自色：矿物本身所固有的颜色，如赤铁矿多呈红色，黄铁矿多呈铜黄色等。（2）假色：矿物中含有杂质。如石英，一般为无色或白色，含杂质时可呈黄、红、棕、绿等色 3.条痕Streak ：矿物粉末的颜色。如赤铁矿，整块的颜色可呈红、黑、钢灰等色，但其粉末只是樱红色；黄铁矿的颜色为铜黄色，粉末为黑绿色。4.光泽Luster ：矿物表面对可见光的反射能力。依据反射的强弱可以分为金属光泽(如金、银、铜，辉锑矿)；半金属光泽(如赤铁矿，褐铁矿)；非金属光泽（玻璃光泽 ，水晶；油脂光泽 ，石英断口；珍珠光泽 ，云母；丝绢光泽 ，纤维石膏及石棉；金刚光泽，闪锌矿。5.硬度Hardness：矿物抵抗机械作用(如刻划、压入、研磨)的能力。德国矿物学家摩氏(FMobs)取自然界常见的10种矿物作为标准（表1-2）。摩氏硬度计:滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石注：为记忆这10种矿物，可用顺口溜方法，即只记矿物的第一个汉字：“滑石方萤磷；长石黄刚金”。或“滑石方、萤石长、石英黄玉、刚金刚”。野外:软铅笔1,指甲2,小刀3-4,玻璃5,钢刀刃6-7.6.解理cleavage ：矿物受敲击后，常沿一定方向裂开成光滑平面，这种特性称为解理，裂开的光滑平面称为解理面。解理分为一组解理(如云母)、二组解理(如长石)、三组解理(如方解石)及多组解理。解理又可分为：极完全解理（云母）、完全解理(如方解石)、中等解理(正长石)、不完全解理（磷灰石）。7.断口meatus :若矿物受敲击后，裂开面无一定方向，呈各种凹凸不平的形状，如锯齿状(石膏)、贝壳状(石英)、平坦状（石引石）、土状（铝土矿）、粒状（大理石）等，则称为断口。8.特性:如磁性(磁铁矿)、弹性(云母)、挠性(绿泥石)、滑感(滑石)、咸味(岩盐)、比重大（重晶石）、嗅味（硫磺）等物理性质以及与冷稀盐酸发生化学反应而产生气泡(CO)(如方解石、白云石)等现象。 第 二节 岩浆岩自然界岩石的种类很多，根据成因可分为三大类，即：岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩。岩浆岩的概念及产状岩石Rock是在地质作用下产生的，由一种矿物或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体。由于地质作用的性质和所处环境不同，不同的岩石的矿物成分、化学成分、结构和构造等内部特征也有所不同。 岩浆岩,又称火成岩，是由岩浆侵入地壳上部或喷出地表凝固而成的岩石。岩浆是熔融体，具有流动性。岩浆沿断裂带或地壳薄弱地带侵入到地壳上部称为侵入作用；岩浆喷出地表，称为喷出作用。在地壳较深的地方(一般是距地表3km以下)由侵入作用形成的岩石称为深成岩；在地表由喷出作用形成的岩石称为喷出岩；在地壳浅处(通常是地表以下3km以内)形成的岩石称为浅成岩 。一 岩浆岩的矿物成分浅色矿物和暗色矿物两类。浅色矿物富含硅、铝，如正长石、斜长石、石英、白云母等；暗色矿物富含铁、镁，如黑云母、辉石、角闪石、橄榄石等。 二 岩浆岩的结构和构造1.结构：指构成岩石的(单个)矿物的结晶程度、颗粒的大小和形态及彼此之间的组合方式。按颗粒大小：绝对大小，粗，中，细；相对大小，等粒，不等粒按结晶程度：全晶质、半晶质、隐晶质、非晶质2.构造：指构成岩石的矿物集合体之间或矿物集合体与岩石的其他组成部分之间的排列及充填方式，反映出岩石的外貌特征。块状；流纹、气孔、杏仁三 岩浆岩的分类（双向）横方向：按sio2含量（酸性65、中性65-50、基性50-45、超基性45）；纵方向：按形成环境产状：深成岩（岩基、岩株），浅成岩（岩盘、岩床、岩脉与岩墙 ），喷出岩（火山锥、熔岩流）四 常见岩浆岩（1）花岗岩，（2）流纹岩 ，（3）闪长岩，（4）辉长岩，（5）玄武岩，（6）橄榄岩。第三节 沉积岩沉积岩是指在地表或接近于地表的岩石遭受风化剥蚀破坏的产物，经搬运、沉积和固结成岩作用而形成的岩石。沉积岩在地表分布极广，出露面积约占陆地表面积的75%。沉积岩的形成过程是一个长期而复杂的外力地质作用过程，一般可分为四个阶段： 1.松散破碎阶段； 2.搬运作用阶段； 3.沉积作用阶段； 4. 固结成岩阶段 。形成作用 erosionweatheringcarryingSedimentationClastic rockRock body一 沉积岩的成分 1.碎屑矿物(石英、长石) 2.粘土矿物（高岭石、 蒙脱石、 伊利石） 3.化学沉积矿物（方解石、 白云石 、石膏 ）二 沉积岩的结构和构造 1.结构 砾状 2mm(1)碎屑结构 ： 砂质 20.05mm 粉砂质 0.05mm0.005mm胶结类型：硅质 泥质 铁质 钙质(2)泥质结构 (褐铁Fe2O3.H2O，由铜黄色变为褐红色，颜色变深，结构变疏松。在地表称铁帽，地下连着矿床。 2. 溶解作用 任何矿物都溶于水，只是溶解度有大有小。 CaCO3+CO2+H2O-Ca(HCO3)2 方解石 (重碳酸钙) 3. 水解作用 水和矿物相结合的一种化学反应。 正长石+H2O-高岭石。 4. 水合作用 有些矿物吸引一定数量的水。石膏+H2O-硬石膏经过彻底的化学风化作用，一切活泼的元素均从矿物中风化出来并随水流失，只有性质稳定的元素Fe，Mn，Al，Ni等才残留原地，如果这些元素富集到具有工业价值时，就成为残余矿床。 (三)、生物风化作用生物的生命活动过程和尸体腐烂分解过程对岩石的破坏作用有机械和化学两种方式：1. 生物的机械风化作用植物根对岩石的破坏，蚯蚓等钻洞，人类活动如挖洞、采矿等对岩石进行破碎。 2. 生物的化学风化作用生物死亡后，腐烂分解形成一种腐植质(胶状的物质)，是一种有机酸，对岩石起腐蚀作用.地壳表层岩石经机械破碎，化学风化后形成的松散物，再经过生物的化学风化作用，增加了有机物质-腐殖质，这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质叫做土壤。 二、 影响风化作用的因素（一）、气候条件 气候寒冷或干燥地区，生物稀少，寒冷地区降水以固态形式为主，干旱区降水很少。以物理风化作用为主，化学和生物风化为次。岩石破碎，但很少有化学风化形成的粘土矿物，以生物风化为主形成的土壤也很薄。气候潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解过程产生的大量有机酸，具有较强的腐蚀能力，故化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土,可形成较厚的土壤层。（二）、地形条件地形影响气候，间接影响风化作用；另一方面，陡坡上，地下水位低，生物较少，以物理风化为主. 地势平坦，受生物影响较大，化学风化作用为主。（三）、岩石性质1. 成分 (1)岩浆岩比变质岩和沉积岩易于风化。岩浆形成于高温高压，矿物质种类多(内部矿物抗风化能力差异大). (2) 岩浆岩中基性岩比酸性岩易于风化，基性岩中暗色矿物较多，颜色深，易于吸热、散热. (3) 沉积岩易溶岩石(如石膏、碳酸盐类等岩石)比其它沉积岩易于风化.差异风化：在相同的条件下，不同矿物组成的岩块由于风化速度不等，岩石表面凹凸不平； 或由不同岩性组成的岩层，抗风化能力弱的岩层形成相互平行的沟槽，砂岩、页岩互层，页岩呈沟槽。通过差异风化，我们可以确定岩层产状。2. 岩石的结构构造 (1) 岩石结构较疏松的易于风化； (2) 不等粒易于风化，粒度粗者较细者易于风化；(3) 构造破碎带易于风化，往往形成洼地或沟谷。球形风化： 在节理发育的厚层砂岩或块状岩浆岩中，岩石常被风化成球形或椭圆形，这种现象叫做球形风化，它是物理风化为和化学风化联合作用的结果。球形风化的主要条件有：(1)岩石具厚层或块状构造；(2) 发育几组交叉裂隙；(3)岩石难于溶解；(4)岩石主要为等粒结构。被三组以上裂隙切割出来的岩块，外部棱角明显，在风化作用过程中，棱角首先被风化，最后成球状。 三、岩石风化带的划分根据岩石风化后的颜色、结构、矿物成分及物理力学性质等方面的变化，将风化岩石划分为全风化、强风化、弱风化和微风化四个带 。第六节 岩石强度及其工程地质特性岩石与土的工程地质性质的差别 1.岩石矿物颗粒间具有牢固的连结-结晶和胶结。 2.岩石强度高,不易变形,整体性及抗水性好.但岩体存在有断裂结构面。3.岩体具有较高的地应力。岩石的物理性质一、岩石的密度 岩石的密度指单位体积内岩石质量，又分为颗粒密度和块体密度。 岩石的颗粒密度(s )：是指岩石固体相部分的质量与其体积的比值。 岩石的块体密度：是指岩块单位体积的质量。块体密度 干密度(d) 天然密度() 饱和密度(sat) 湿密度二、岩石的空隙性 岩石的空隙性系指岩石孔隙性和裂隙性的统称。用空隙率表示(为岩石中空隙体积与岩石总体积之比)。 总空隙率： n=Vv/V*100%=(1-d/s ) 其中： V-岩石总体积；Vv-空隙总体积；三、岩石的吸水性 岩石在一定试验条件下吸收水分的性能,称吸水性。 1.岩石的吸水率(wa)：岩石试件在一个在气压和定温条件下自由吸入水晶质量(mW1)与试件干质量(ms)之比。 wa= mw1/ ms*100% 2.岩石的饱和吸水率(wp )：岩石试件在高压(15Mpa)或真空条件下吸入水的质量(mws)与岩样干质量(ms)之比。 wp = mws/ms*100% 3.岩石饱水系数=岩石的吸水率/饱和吸水率。 岩石的饱水系数一般为0.5-0.8。饱水系数愈大，说明常压下吸水后留余地空间有限，岩石愈易被冻胀破坏，抗冻性就愈差。四、岩石的软化性 指岩石浸水后强度降低的性质。指标为软化系数(KR) KR=cw/ cd 其中：cw-干抗压强度； cd-饱水抗压强度； KR愈小，软化性愈强。当KR0.75时，软化性弱，抗冻性、 抗风化能力强。 五、岩石的抗冻性 指岩石抵抗冻融破坏性质。指标有: 1、抗冻系数(Rd) Rd=cd2(冻融实验后干抗压强度)/ cd1(冻融前干抗压强度)*100% 2、质量损失率(Km)：Km=(ms1-ms2)/ms1 *100% 其中：ms1-冻融前质量；ms2-冻融后质量六、岩石的透水性 指岩石能被水透过的性质，用渗透系数k表示。岩石的力学性质一、单向受压条件下的岩石变形 岩石在外力作用下所表现出的性质，称为岩石的力学性质。 岩石遭受破坏时的应力，称为强度。 在外力作用下，岩石内部应力状态发生变化，由于质点位置改变引起岩石变形。弹性变形：物体受力发生相应的全部变形，并在外力解除时，变形立即消失，为可逆变形。塑性变形：物体受力变形，在外力解除后，变形也不再恢复，是不可逆变形又称永久变形或残余变形。二、单向受力条件下的岩石强度 岩石在外力作用下，当达到或超过某一极限值时，便发生破坏。通常把岩石抵抗外力破坏的能力称为强度，按外力的性质不同分为：抗压强度、抗拉强度、剪切强度。 (一)、岩石的抗压强度 岩石单向受压时，能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。 c=P/A 其中：c-抗压强度 ；P-岩石受压破坏时的荷载；A-试件断面积 影响岩石抗压强度的因素 1.岩石的矿物组成 2.岩石的结构、构造 3.岩石的含水状态 4.试验条件对其也有一定的影响（二）、岩石的抗拉强度 岩石试件单向受拉时，能承受的最大拉力，称为岩石的抗拉强度。 测定岩石抗拉强度的方法有：直接拉伸法和间接拉伸法，但目前多采用间接法，其中以劈裂法和点荷载实验最常用。 影响岩石抗拉强度的因素： 影响岩石抗拉强度的因素与抗压强度影响因素相同，但起控制作用的因素是岩石的结构，特别是空隙性的影响尤为重要。（三)、岩石的剪切强度 岩石受剪切作用时抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。 岩石的剪切强度是由内聚力(C)和内摩阻力(*tg)组成。 按实验方法的不同，将剪切强度分为三种： 1.抗剪断强度：指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。它反映了岩石的内聚力和内摩阻力。 2.