第1章-岩石及其工程地质性质

第1章岩石及其工程地质性质,胡红亮,工程地质与土力学,水利工程系,地球是一个具有圈层构造的旋转椭球体。它的外部被大气圈、水圈、生物圈所包围，地球内部由地壳、地幔、地核组成。,Earth-地球(内部结构),地壳的厚度很不均匀，各地有很大差异。位于大陆的地壳（陆壳）厚度大，平均约35km，高山区可达7080km，位于大洋底部的大洋地壳（洋壳）厚度小，平均78km。组成地壳基本物质是各种化学元素，其中以氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、钛为主，这9种元素占地壳总质量的99.96%。,元素在一定的地质条件下聚集形成矿物，各种矿物在一定的环境条件下自然集合形成岩石。不同成因岩石的形成条件、矿物成分、结构和构造各不相同，故它们的物理力学性质也不一样。因此，在各种工程建筑中，必须对组成地壳的主要矿物和常见岩石以及它们的工程地质性质等方面进行研究。,元素,矿物,岩石,1.1造岩矿物,矿物：由地质作用形成的具有一定物理性质和化学成分的自然元素或化合物，是组成岩石的基本单位。矿物通常以固态存在地壳中，只有极少数呈液态（石油、汞）和气体（天然气）。,造岩矿物：自然界产出的矿物已知有3000多种，但组成岩石的主要矿物仅有30多种，最常见的有石英、斜长石、正长石、白云母、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石、绿泥石、石膏、赤铁矿、黄铁矿等。这些组成岩石主要成分的矿物称造岩矿物。,固体矿物绝大部分是结晶质，具有确定的内部结构，即内部的原子或离子在三维空间成周期性重复排列，常形成具有规则几何外形的晶体，如右图食盐晶体。但岩石中大多数矿物结晶时，受到许多条件和因素的控制，晶体常呈不规则形状。,矿物形态是指单个矿物和群体矿物的形态。柱状（正长石）、板状（斜长石）、片状（云母）、菱面体（方解石）、纤维状（石膏）图1-1常见矿物的晶体形态a）正长石；b）斜长石；c）石英；d）角闪石；e）辉石；f）橄榄石；g）方解石；h）白云母；i）石膏；j）绿泥石；k）云母；l）黄铁矿；m）石榴子石,矿物的形态,由于生长空间的局限，矿物晶体往往不能发育成完美形态，它们常常挤在一起成集合体产出。如粒状（橄榄石）、土状（高岭石）、鳞片状（绿泥石）、晶族状（石英）、钟乳状（方解石）。,矿物的物理性质,1.颜色矿物的颜色是指矿物对可见光波的吸收作用所引起的，是矿物最直观的一种性质。（1）自色：是矿物本身固有的颜色。（2）他色：是矿物混入了某些杂质所引起的，与矿物的本身性质无关。2.条痕条痕是矿物粉末的颜色，通常将矿物在无釉瓷板上刻画后进行观察。它对某些金属矿物具有重要的鉴定意义。3.光泽：是矿物表面对可见光的反射能力。（1）金属光泽：黄铁矿、黄铜矿（2）半金属光泽：赤铁矿、磁铁矿（3）非金属光泽：玻璃光泽（长石、方解石），油脂光泽（石英），珍珠光泽（云母），丝绢光泽（石棉），金刚光泽（金刚石）,黄铜矿铜黄色,孔雀石翠绿色,赤铁矿樱红色,自色,纯水晶,紫水晶（含锰）,烟水晶（含碳微粒）,玫瑰水晶（含氧化铁）,他色,条痕,4.硬度,矿物的硬度：是矿物抵抗外力刻划的能力。野外工作中我们常用指甲和小刀来判断矿物的硬度，并将其分为三级：软矿物（指甲能刻划）；中等硬度矿物（硬度介于指甲与小刀之间）；硬矿物（小刀不能刻划）。矿物学中常用摩氏硬度计来测量矿物的硬度，并将矿物的硬度分为十级，分别用十种硬度不同的矿物代表，相对硬度。,相互刻划，进行比较,摩氏硬度计,5.解理与断口,解理：是指矿物受打击后常沿一定方向裂开，并形成光滑平面的性质。可分为极完全、完全、中等和不完全解理。也可根据解理面方向的数目多少，分为一组解理（云母）、两组解理（长石）、三组解理（方解石）。断口：矿物在外力打击下，沿任意方向发生的不规则裂口称为断口。常见的断口有贝壳状断口、参差状断口、锯齿状断口和平坦状断口。,6.弹性、挠性、延展性,某些片状或纤维状矿物，在外力作用下发生弯曲，当去掉外力后能恢复原状者具弹性（云母）；不能恢复原状者具挠性（绿泥石、滑石）。矿物能被锤击成薄片状或拉成细丝的性质称延展性（自然金、银、铜）。,主要造岩矿物鉴定特征,Quartz石英,形状：完整晶形为六棱柱或双锥体，呈粒状者居多颜色：无色、乳白色，含杂质时呈紫红、烟色光泽：玻璃光泽，断口为油脂光泽解理断口：贝壳状断口化学性质：稳定，不易风化广泛分布在酸性三大岩类,Agate玛瑙,石英具有许多隐晶质的变种，常见的有玛瑙、玉髓、燧石及蛋白石等玛瑙由各种颜色的石英晶体组成，因其颜色、形状美丽，可作为贵重装饰品,Amethyst紫晶、紫石英(含Fe3+),Feldspar长石,正长石：也称钾长石，两组正交完全解理，多呈肉红色，广泛分布于花岗岩、正长岩和伟晶岩。斜长石：也称钠长石，两组斜交解理，呈白色或灰白色，多产于基性和中性岩浆岩中。均呈玻璃光泽，易风化,Mica云母,一组完全解理、薄片状、富有弹性，广泛分布于岩浆岩和变质岩中，常见的有黑云母和白云母。黑云母：含铁质，易风化，呈珍珠光泽。白云母：呈玻璃光泽,Hornblende角闪石,形状：长柱或纤维状，断面六边形颜色：深绿暗黑色光泽：玻璃光泽解理：两组解理交角近56多产于中性岩浆岩中，如闪长岩、安山岩，也可单独组成超基性的角闪岩,Augite辉石,形状：短柱状，断面呈八边形，在岩石中常呈粒状颜色：深黑、褐黑、紫黑及棕黑色光泽：玻璃光泽解理：两组完全或中等解理、交角90多产于基性岩浆岩中，如辉长岩、玄武岩，也可单独组成超基性辉岩,Calcite方解石,形状：菱面体颜色：白色、灰白色，含Fe时呈褐红色，含Mn时呈棕黑色光泽：玻璃光泽解理：三组完全解理遇稀盐酸剧烈起泡（区别于白云岩广泛存在石灰岩中，也存在于大理岩中，某些岩浆岩中也有少量出现,方解石（三组解理）,Gypsum石膏,形状：板状，条状或呈纤维状集合体颜色：无色、白色或呈灰白色光泽：玻璃光泽、纤维状者呈丝绢光泽解理：一组解理发育易溶于水，性质软弱，具有挠性,Pyrite黄铁矿,形状：块状呈立方体颜色：浅黄铜色光泽：金属光泽断口：贝壳断口或不规则断口常见于岩浆岩或沉积岩的砂岩和石灰岩中，往往与黄铜矿共生在一起,1.2岩石,岩石是地壳的基本组成物质，由一种或多种矿物组成的，具有一定规律的集合体。如花岗岩是由石英、正长石、黑云母等多种矿物组成的，是地质作用的产物。按其成因可将地壳的岩石分为三大类：岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩。,岩浆岩IgneousRock,岩浆作用岩浆岩的产状岩浆岩的组成成分岩浆岩的结构与构造岩浆岩的分类常见岩浆岩的特征小结,农业生产火山爆发对自然景观的影响十分深远。土地是世界最宝贵的资源，因为它能孕育出各种植物来供养万物。如果火山爆发能给农田盖上不到20厘米厚的火山灰，对农民来说可真是喜从天降，因为这些火山灰富含养分能使土地更肥沃。旅游疗养火山喷发（特别是宁静式火山），还可以马上招来游客；经常喷发的火山，更多成为旅游胜地。世界上许多火山温泉区的泥浆水与硫磺水能治疗哮喘与皮肤病。地热是从地下开发出来的热量。地热能用于发电，在冰岛地热占全国能源生产的。矿产资源人们在古老的火山周围发现了大量有开采价值的金属矿床。在智利火山口周围有铜、黄金等矿床。火山也伴生银、铁、铅、锡、锌、铀和钼等矿床。,火山给人类带来益处,一、岩浆岩（火成岩）岩浆岩是由岩浆冷凝固结而形成的岩石。依冷凝成岩浆岩的地质环境的不同，将岩浆岩分二大类：（1）侵入岩（深成岩5km、浅成岩3km）（2）喷出岩,（地表以下）,（地表以上）,岩浆岩的产状可以反映岩体空间位置与围岩的相互关系及其形态特征。岩浆岩产状大致有下列几种：,规模巨大，面积大于60km2的侵入体,形状较岩基小的岩体，小于60km2,一种沿原有岩层层面侵入、延伸分布且厚度稳定的层状侵入体,熔岩和火山碎屑围绕火山通道堆积形成的锥状体,沿岩层裂隙侵入形成的狭长形的岩体,岩浆岩的组成成分,主要化学元素：O,Si,Al,Fe,Ca;Na,K,Mg,Ti等9种占99以上。主要矿物成分：硅铝矿物：石英、长石、云母颜色浅（又称浅色矿物）（O,Si,Al,Ca,Na,K）铁镁矿物：辉石、角闪石等颜色深（又称深色矿物）(Fe,Mg),岩浆岩的结构,岩浆岩的结构是指岩石中矿物结晶的程度、晶粒的形态、大小及相互组合关系。结晶程度全晶质：深成环境，粗晶、等粒，温度稳定，结晶完全。半晶质：浅成环境，细晶、大小不均，温度变化较快，结晶不完全、斑晶。非晶质：喷出环境，隐晶、玻璃质，速冷。,晶粒大小等粒状结晶结构：深成环境，高温、高压缓慢结晶。如花岗岩、辉长岩等。斑状结构：浅成环境，斑晶散布于石基中。如安山岩、花岗斑岩等。隐晶结构：喷出环境，玻璃质。如黑曜岩等,岩浆岩的构造,构造是组成岩石的矿物或矿物集合体的空间分布或排列方式以及充填方式等特征。块状构造：矿物均匀分布，无定向排列。具有良好的工程地质特性，侵入环境。流纹、气孔、杏仁构造：不同颜色、粒度、矿物以及拉长的气孔组成的定向排列，形成流动的纹路，气孔中充填次生矿物成杏仁构造。安山岩浮岩,岩浆岩分类简表,Granite花岗岩,多呈肉红色、灰色，风化面呈黄色矿物成分以石英和正长石为主，含有少量黑云母、角闪石和其他矿物等粒结构、块状构造，产状多为基岩、岩株和岩盘等色美质坚，性质均一粗粒结构花岗岩易风化,Granite花岗岩,Pegmatite伟晶岩,成分与花岗岩相似，也称伟晶花岗岩（也可为闪长岩或辉长岩常以石英和正长石组成巨大晶体，形成伟晶结构粘性较低的岩浆逐渐冷凝形成图中暗色矿物为电气石,Porphyry斑岩,斑状结构为浅成岩及部分喷出岩所特有的结构通常岩浆在地壳深处有部分熔点高的矿物开始结晶，冷凝较慢，逐渐形成斑晶，然后经迅速冷凝（例如火山喷出形成,Diorite闪长岩,浅辉至深灰色，也有黑灰色主要矿物成分为斜长石、角闪石，其次有辉石、云母等，暗色矿物占35常呈细粒等粒状结构分布广泛，多为小型侵入体、岩盘或岩墙等产出岩石坚硬，不易风化,Diorite闪长岩,Andesite安山岩,灰、浅黄或浅褐红色，是分布较广的一种中性喷出岩多呈斑状结构，斑晶主要为斜长石，有时为角闪石或辉石具气孔状或杏仁状构造，石基为隐晶质或玻璃质,Gabbro辉长岩,灰黑至暗绿色主要矿物为辉石、斜长石，次要矿物有角闪石、橄榄石等粒结构，块状构造常呈岩盆、岩株、岩床等产出抗风化能力强，具有很高的强度,Basalt玄武岩,黑色、褐色或深灰色主要矿物为辉石、斜长石，次要矿物有角闪石、橄榄石呈隐晶质细粒或斑状结构，具气孔或杏仁状构造常呈大面积熔岩流产出岩石致密坚硬，抗磨蚀,Basalt玄武岩,Basalt玄武岩,Obsidian黑曜岩,也称火山玻璃或天然玻璃岩浆迅速冷凝，在岩浆固化前未形成任何晶体细粒结构或气孔构造是区别喷出岩和侵入岩的主要特征,Pumice浮岩,气孔构造在粘性较高的岩浆中，气体难于逸出使岩浆上部形成泡沫，迅速冷凝形成可作研磨材料,Peridotite橄榄岩,显晶结构的侵入岩一般由铁镁矿物晶体组成颜色深，颜色指数大于95图中样品含橄榄石矿物晶体纯橄榄岩由辉石矿物晶体组成的又称辉岩,Tuff凝灰岩,由细小颗粒的火山碎屑物（火山灰组成火山爆发过程中形成,岩浆岩小结,环境相同，结构构造特征相同。环境不同，结构构造特征不同，即使化学成分相同。化学成分相同，颜色相同。,沉积岩SedimentaryRocks,沉积岩的形成及组成成分沉积岩的结构与构造沉积岩的分类主要沉积岩的特征,沉积岩的形成,在地表常温、常压条件下，岩基风化、剥蚀成松散物质；在大陆低洼处及海洋中沉积；压密、胶结、再结晶、固结形成的层状岩石。体积占地壳的5，出露面积占地球陆地75，在我国占77。形成于海洋的叫海相沉积；形成于湖泊、河流、沼泽的称陆相沉积。,由母岩（先形成的岩石）破坏而成的疏松积物，经搬运、沉积及成岩作用而形成的岩石,沉积岩的矿物成分,碎屑物质：原生岩屑、母岩风化形成或火山喷出。黏土矿物：高岭石、蒙脱石、伊利石，是原岩经风化分解后而形成的次生矿物。生物化学沉积矿物：方解石、白云石、石膏、铁镁氧化物、氢氧化物、有机物质及生物残骸，是经化学沉积或生物化学作用而形成矿物。黏土矿物、方解石、白云石、有机质是沉积岩特有的。,沉积岩的结构,碎屑结构：碎屑物质被胶结物粘结形成。泥质结构：矿物颗粒显示定向排列。页岩结晶结构：由化学沉淀或胶体重结晶形成。可分为鲕状、结核状、纤维状、致密块状和粒状结构等。生物结构：由生物遗体所组成的结构，如生物碎屑结构、贝壳结构等。,沉积岩的构造,层理：沉积岩在形成过程中由于沉积环境的改变，所引起沉积物质成分、颗粒大小、形状或颜色的变化而显示出成层的现象，称为层理，又叫层面。层理构造是沉积岩最主要的构造特征。,（a）正常层；（b）夹层；（c）变薄；（d）尖灭；（e）透镜体,岩层与地层岩层：上下两个层面之间岩石特征基本类似的组合。地层：对某一地区，某一地质时代形成的一个或一套乃至几套岩层称为地层。具有时代特征。,岩层与地层,层理形态,平行（水平）层理斜层理交错层理深海、湖泊河相、三角洲浅海环境稳定,层面特征,层面构造：沉积岩的层面上常保留有形成时外力（风、流水等）作用的痕迹，如波痕、雨痕、泥裂等。,砂岩斜层理（风成）,Mudstone泥岩,泥质结构，常为薄层至厚层状，常见水平层理，层面上留有泥裂、雨痕、波痕虫迹等构造。成分以高岭石、蒙脱石和水云母为主。,返回,ChertNodules燧石结核,Fossil化石,三叶虫化石,沉积岩分类简表,返回,Conglomerate砾岩Breccia角砾岩,砾状结构，由岩石碎屑或岩块组成，其中粒径大于2mm的占50以上。滚圆度较好的称砾岩，带棱角的称角砾岩。胶结物常为泥质、钙质、铁质和硅质。其对力学性质有较大影响。,主要的沉积岩,Sandstone砂岩,砂粒结构，粒径介于20.05mm之间。矿物成分复杂，据其主要矿物成分可分为：石英砂岩、长石砂岩和硬砂岩,QuartzSandstone石英砂岩,石英含量在90以上一般硅质胶结，呈白色质地坚硬,Arkose长石砂岩,长石含量大于25呈浅红色或浅灰色属短距离搬运沉积，颗粒圆度及分选性较差,Greywacke硬杂砂岩,成分复杂，通常呈暗灰或暗绿色颗粒圆度及分选性较差,Shale页岩,具明显微层理，岩层可分裂成薄片成分以粘土矿物为主，含有少量石英、云母、长石等是由粘土脱水胶结而成，属于细粒沉积岩,Limestone石灰岩,主要化学成分为碳酸钙，矿物成分以细小结晶的方解石为主，常含少量白云石、粘土等混入物颜色以灰色为主，质纯灰岩呈白色致密状、鲕状、竹叶状等结构具有可溶性，易形成岩溶,Limestone石灰岩,Limestone石灰岩,Oolites鲕状石灰岩,返回,er,Chalk白垩,浅色、孔状、非常细粒的生物碎屑石灰岩形成于海底，含有非常小的海洋生物,e,三、变质岩（一）变质岩的成因地壳中的原岩受到温度、压力及化学活动性很强的流体的影响，在固体状态下发生剧烈变化后形成的新的岩石称变质岩（如图1-10所示）。图1-10变质岩的类型示意图1-动力变质岩；2、3-接触变质岩；4-区域变质岩,（二）变质作用的主要类型1.接触变质作用（影响范围是有限的）2.区域变质作用（影响范围广大）3.动力变质作用（常与较大的断层带伴生）（三）变质作用的因素1.高温：2.高压：3.新的化学成分的加入（四）变质岩的主要特征1.矿物成分：2.结构：（1）变晶结构：原岩结构全部改变，矿物重新结晶，形成变晶结构,原岩在变质过程中基本上是在固态下进行的，所以变质岩的产状仍然保留了原岩的产状。,有些是继承下来的，有些是新产生的变质矿物。常见的有红柱石、蓝晶石、硅线石、滑石、石榴子石、绿泥石、绿帘石、绢云母、蛇纹石、石墨等。变质矿物是在特定环境下产生的，可作为鉴别变质岩的重要标志。,（2）变余结构：部分残留、变质不彻底（3）碎裂结构：岩石被挤压破碎3.构造变质岩的构造是指岩石中矿物在空间排列关系的外貌特征。（1）片理构造片麻状构造：片状构造：千枚状构造：板状构造：（2）块状构造,片理与层理的区别,肉眼看：片理：整个岩石的矿物成分或岩石颜色，都是比较均匀分布的，并不能看到稳定、持续的“层”。片理中如果肉眼能区分出颗粒大小，那么这些颗粒都是矿物，是结晶形成的，光泽较亮（有解理面或晶面）层理：层理是因为岩石中颗粒大小或成分或颜色差异而呈现出来的成层性，它的层厚度相对比较稳定或者呈现出有规则的纹理（平行的或者相交的）。岩石中如果肉眼能区分出颗粒大小，那么这些颗粒是岩石碎屑或者是矿物碎屑，没有明亮的光泽。显微镜下看：片理：矿物呈现定向排列。层理：组成岩石的小颗粒成层分布，一层内颗粒大小相差不大，层和层之间相差较大；或者是颜色或者是成分会表现出相似特点,变质岩根据其构造特征分为：片理状岩石类和块状岩石类,（五）变质岩的分类及常见的变质岩,片麻岩,千枚岩,片岩,板岩,石英岩,大理岩,“汉白玉”,四、三大岩类的区别及鉴别方法（一）三大岩类的区别上述三大岩类，由于成因不同，因而其物质组成、结构及构造也各不相同，为便于鉴别及掌握，将其主要区别列于表1-6中。三大类岩石的区别表1-6,（二）三大岩类的肉眼鉴别1.岩浆岩的鉴别方法（1）先看岩石整体颜色的深浅。（2）分析岩石的结构和构造。（3）分析岩石的主要矿物成分，确定岩石的名称。2.沉积岩的鉴别方法鉴别沉积岩时，可以先从观察岩石的结构开始，结合岩石的其他特征，先将所属的大类分开，然后再作进一步分析，确定岩石的名称。（1）碎屑岩（2）粘土岩（3）化学岩,3.变质岩的鉴别方法鉴别变质岩时，可以先从观察岩石的构造开始。根据构造，首先将变质岩区分为片理构造和块状构造的两类。然后可进一步根据片理特征和主要矿物成分，分析所属的岩类，确定岩石的名称。,1.3岩石的工程地质性质指标,岩石的物理性质指标岩石的主要力学性质指标岩石的水理性质指标,经济合理与安全可靠,定性分析定量分析最后对岩石的工程地质性质作出评价,岩石的物理性质指标,主要有比重、重度、空隙率、吸水率等,1.比重（也称岩石的相对密度）岩石的比重是岩石固体部分（不含孔隙）的质量与同体积水在4时质量的比值，用表示,式中,岩石的相对密度,岩石固体部分的质量，g,岩石体积（不含孔隙），cm3,4水的密度，g/cm3,大多数岩石的相对密度在2.7左右,2重度岩石单位体积（包括空隙体积在内）的重力，即试样重力与试样体积之比值，称为重度，用表示。,式中,岩石重度，kN/m3,岩石的重力，kN,岩石体积（含孔隙），m3,W,大多数岩石的重度为2328kN/m3,3空隙率（n）空隙率（或空隙度）是指岩石孔隙、裂隙和溶隙的体积与岩石总体积之比值，用