第1章-工程地质基础知识

第1章工程地质概论,第二节矿物和岩石,第三节土的成因类型,第一节地质作用,第四节地质构造与地质年代,第五节不良地质作用,1/40,第一节地质作用,地球内圈：,地质构造,2/40,地壳：由固体岩石构成,平均厚度16km,最厚为70公里，位于我国喜玛拉雅山，珠穆朗玛峰（8844.43m）；最薄的仅5公里厚，位于太平洋中部，马里亚纳海海沟（西太平洋马里亚纳群岛东南侧）-11034米。一般大陆平均厚30-40公里，海洋区平均厚5-8公里。地壳由比重较轻Si-Mg，Si-AI质组成。地幔：莫霍面以下，深度35-2900km圈层为地幔。上地幔是熔融状态物质,可能是岩浆的发源地。,3/40,下地幔主要是由铁镁氧化物和硫化物组成。地核：由比重较大的铁镍合金组成，平均密度大于10g/cm。外核是液态的,内核是固态。地壳运动主要起因于地幔物质的对流。,4/40,地球外圈：,5/40,由自然动力引起地壳的物质组成、内部结构和地表形态发生变化和发展的作用称为地质作用。,按动力来源分为：内力地质作用外力地质作用,地质作用,6/40,一、内力地质作用：由地球内部的能（旋转能、重力能、辐射热能）引起。,7/40,地壳运动（tectonism）,水平和升降运动。,8/40,1、水平运动：组成地壳的岩层平行于地表的运动。相对方向的水平运动常形成巨大的褶皱山系，相反方向的水平运动常形成裂谷、地堑或海洋。,2、升降运动：组成地壳的岩层作垂直于地表方向的运动，它使岩层表现为隆起和拗陷。从而引起地势的高低起伏和海陆变迁。,早第三纪以前，青藏高原曾是一片海洋，之后的喜马拉雅运动使它迅速抬升，形成世界上平均海拔最高、拥有巨大山系的高原。,9/40,岩浆作用（magmatism）,岩浆形成、运动、演化、冷凝。,10/40,变质作用(metamorphism),在高温、高压并有化学物质参与下，岩石发生成分、结构构造的变化，生成新的岩石。,11/40,地震作用(earthquake),地内机械能突然释放，以弹性波的形式传播到地表引起猛烈冲击。,12/40,各种内力地质作用是相互关连的,构造运动形成断裂，引起地震，并为岩浆活动创造通道。构造运动和岩浆活动引起变质作用。,地壳运动在内力地质作用中起主导地位。,13/40,二、外力地质作用：,由地球外部的能（太阳辐射、水等）引起的地质作用.,14/40,外力地质作用的营力：,河流的侵蚀；,地下水的潜蚀；,风的吹蚀；,冰川的刨蚀等。,湖泊海洋的冲蚀;,太阳辐射；,15/40,（一）风化作用,自然界的岩石和矿物受大气，水和生物等因素的影响在原地发生机械崩解或化学分解，从而形成松散或松软堆积物的过程。,1、物理风化作用（因素：温度变化和岩石释重）,1）剥离作用,16/40,17/40,原因：花岗岩具有三组相互正交的原生节理，把岩体分割成许多大小不等的近似正方形或长方形的岩块，这样在风化过程中，三组节理交会的棱角部位最易风化，使棱角逐渐圆缓而成为球形石块，这种现象称为球状风化。在球状风化迅速发展的情况下，岩块逐渐变小减少，并被大量风化泥沙所包围。当这些风化物质遭受流水冲蚀，并将细粒泥沙和小块碎石带走，使残留的球状岩块堆迭在一起，往往形成一堆一堆的圆球状花岗岩堆。偶尔有个别的大型石球停留在岩坡坎上，处于暂时平衡状态，摇摇欲坠，甚至人推就能摇摆，故称摇摆石。由于花岗岩的这种特性，在风化过程中还经常形成一些奇特的地貌形态，苏州焦山之石桌，形如一丛蘑菇。花岗岩形成的山峰往往是线条流畅、形态浑圆、峰峦峻秀，如著名的黄山风景区就是由花岗岩构成的基岩山地。,18/40,2）冰劈作用,3）结晶胀裂作用,2、化学风化作用,岩石在水、水溶液和空气中的氧与二氧化碳等的作用下，发生溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化，这种引起岩石成分和性质的变化叫化学风化。,19/40,类型:水解水化氧化硫酸化溶解结果：岩石中可溶的矿物逐步被溶蚀、流失;残留原地的或新形成的多为难溶的稳定矿物。原岩中的缝隙加大，破坏了原岩的结构和成分，甚至使坚硬的岩层变成松散的土层。,3、生物风化作用,20/40,风化作用影响因素：,气候因素：在极地和高山带，温度很低，地面大部被冰雪覆盖，冻融作用盛行，化学风化缓慢，长期处于物理风化为主的阶段。干旱荒漠地带，日照很强，年降水量小于250毫米，蒸发量大于降水量，热力风化盛行，化学风化微弱，也是长期处在物理风化为主的阶段。在湿热地带，气温高，植物茂盛，细菌活跃，岩石矿物化学风化迅速，风化壳很厚，最厚可达200米以上。,21/40,地形因素：不同地形条件下，风化的强度、深度和风化物的厚度及分布状况不同。在地形高差很大的山区，一般风化的深度和强度大于平缓的地区，但在斜坡上岩石破碎后很易被剥落、冲刷而移离原地，所以风化层一般都较薄，颗粒较粗，粘粒很少。在平原或低缓的丘陵地区，地表水和地下水流动都比较慢，风化物易被保存下来，在平缓低凹的地区风化壳一般都很厚。地质因素：岩石的矿物组成、结构和构造都直接影响风化的速度、深度和风化阶段。深色矿物比浅色矿物易风化，基性岩类多含深色矿物。岩石的结构上看，粗粒的岩石比细粒的易风化，多种矿物组成的岩石比单矿物岩石易风化，粒度相差较大的和有斑晶结构的岩石比粒度均匀的岩石易风化。构造上看，断裂破碎带的裂隙、节理、层理、页理等部位是比较软弱的地方，容易遭到风化。,22/40,风化作用产物,经过风化后的岩石形成的风化产物称为风化壳。在剖面上风化壳自上而下分为3层：土壤层（）；残积层或亚土壤层（）；半风化岩石（）；风化壳下为基岩（）。,23/40,24/40,二、流水的地质作用,1、侵蚀作用地表水流对河床浅岸发生冲击磨蚀作用。侵蚀方式：溶蚀、磨蚀、刻蚀侵蚀方向：下蚀和侧蚀下蚀作用：河水及其所带沙砾对河床基岩撞击，磨蚀，对可溶性岩石的河床进行溶解，使河床逐渐破坏加深的过程。侧蚀作用：由于受河床的岩性、地形、地质构造以及地球自转等因素的影响，河水常常不是直线流动，河流对河岸产生左右偏斜或者产生螺旋状的横向环流。,25/40,由于水流的惯性，在河弯地段产生横向侵蚀而使河床凹岸不断后移，凸岸不断堆积。横向环流作用，凸岸不断发生堆积，凹岸不断冲垮，使河流越来越弯曲，甚至形成蛇曲。如果地壳作用出现上升阶段，则以下蚀作用为主；如果地壳以平稳为主，则以侧蚀作用为主。,26/40,2、流水的搬运作用地表水流因其有一定的流水速度，会携带泥沙，石块，向下移动。方式:滑动，滚动、跳跃、悬浮结果：碎屑物质在运动中碰撞，使带棱角的碎石磨成浑圆，且颗粒逐渐变细。搬运的物质往上游粗，下游细。海会桥会看到沉积物的分选性。,27/40,3、沉积作用当流水的搬运能力减小时会有一部分泥沙或石块堆积下来，形成沉积层，这个过程称沉积作用。当流水所挟带的物质在河床沉积下来形成的沉积物称为冲积层。按沉积位置不同，又分：（1）河床沉积：水流携带物质在河床中沉积而成，,28/40,一般山区河床中沉积有粗大砾石，平原地区中下游颗粒细小，以细纱、粉土、黏土居多（2）河漫滩沉积：洪水时被淹没，其下部为砂卵石，上部细沙或黏土。（3）河口沉积：山区河流出口地形较宽，当水流流出山口时，流过，在山口常形成扇形堆积，称洪积扇，其沉积物称洪积物。多个山口处的洪积扇连成一片形成山前倾斜平原。在河出口至海洋时，常形成河口三角洲沉积。,29/40,30/40,三、地下水的潜蚀,31/40,四、湖泊海洋的冲蚀,32/40,33/40,34/40,35/40,36/40,五、风的吹蚀,37/40,38/40,39/40,40/40,六、冰川的刨蚀,41/40,自然界岩土一般按风化搬运沉积硬结成岩的程序进行,42/40,外力地质作用主要影响因素是：气候和地形。,我国温度带的划分图,43/40,潮湿气候区：河流、湖泊、地下水发育，风化彻底。如东南沿海。干旱气候区：暴雨，风力强，咸水湖。如西北高原。冰冻气候区：气温低，蒸发量小，生物稀少，冰川盘踞。如两极和高山地区。,44/40,大陆以剥蚀为主，海洋以沉积为主。山区以剥蚀为主，平原以沉积为主。,45/40,内力和外力地质作用的关系：内力地质作用决定地表的基本形态和内部构造地表形态的塑造者外力地质作用破坏和重塑地表形态地表形态的雕刻者地壳上升时，遭受剥蚀。地壳下降时，接受沉积。,46/40,地壳由岩石组成，岩石由矿物组成。矿物(mineral)：具有一定化学成分和物理性质的自然元素和天然化合物。,常见的几种矿物,石英,方解石,云母,第二节矿物和岩石,1.2.1矿物,47/40,黄铁矿,玛瑙,石膏,48/40,石英晶簇,49/40,50/40,51/40,矿物的特征,单晶晶形(crystalform),图2-2矿物晶形(a)石盐；(b)石膏；(c)普通辉石；(d)石英；(e)正长石；(f)云母,52/40,一向延长：晶体沿一向发育成柱状、针状。角闪石（长柱状）、辉石（短柱状）。两向延长：晶体成板状、片状。石膏（板状）、云母（片状）、绿泥石（片状）等。三向延长：三向发育成粒状、块状。磁铁矿（粒状）、岩盐、方铅矿、黄铁矿（立方体状）、方解石、白云石（菱面体状）。,53/40,结晶和非结晶质矿物集合体的形态：（1）粒状、块状、土状矿物在三维空间接近等长的集合体。颗粒界限较明显的称粒状（橄榄石等），颗粒界限不明显的称块状（如石英等），疏松的块状称土状（高岭石等）。（2）鲕状、豆状、肾状矿物集合体形成近圆球形结核构造。如鱼卵大小的称鲕状（方解石、赤铁矿等），有时呈现豆状、肾状（如赤铁矿等）。（3）纤维状、放射状如石棉、纤维石膏（纤维状）、阳起石（放射状）（晶体围绕中心散射分布）。（4）钟乳状如方解石、褐铁矿等。,54/40,物理性质,颜色(color)：矿物新鲜表面的颜色。分自色、他色、假色。,自色：矿物固有颜色，磁铁矿呈黑色的，黄铜矿呈金黄色的，橄榄石是橄榄绿。他色：由于杂质混入所染成的颜色，如，纯石英无色透明的，混入杂质可成紫色、玫瑰色、金黄色等假色：有些矿物由于某种物理或化学原因引起的。方解石解理面上常出现的虹彩。通常在鉴定岩石中的矿物时，可分浅色矿物如石英、长石、白云母、方解石、石膏等，深色矿物如角闪石、绿泥石等,55/40,条痕(streak)：矿物粉末的颜色。透明度(transparency)：光线透过矿物的程度。分透明、半透明、不透明。光泽(luster)：矿物表面反射光线的强弱强度。分金属光泽、半金属光泽、金刚光泽、玻璃光泽、油脂光泽、珍珠光泽、腊状光泽、土状光泽。,56/40,1、金属光泽：金属矿物所具有的光泽，如黄铁矿2、半金属光泽：类似金属光泽，但暗淡，如磁铁矿3、非金属光泽：（1）金钢光泽：如钻石，如金刚石（2）玻璃光泽：石英晶体（3）油脂光泽：状如染上油脂后的反光，多出现在矿物凹凸不平的断口上，如石英断口（4）珍珠光泽：状若珍珠或贝壳内面出现的乳白色彩光，如白云母薄片等。（5）丝绢光泽：出现在纤维状矿物集合体表面，状若丝绢，如石棉、绢云母等。纤维状石膏（6）土状光泽：矿物表面反光暗淡如土，如高岭石和某些褐铁矿等。,57/40,力学性质,硬度(hardness)：矿物新鲜面抵抗外力刻划的能力，分为摩氏十级。“滑石方，萤磷长，石英黄玉刚金刚”。指甲：2.5，玻璃：5-5.5，小钢刀：6-6.5解理(cleavage)：矿物受敲击后裂开成光滑平面的性质。按解理面完全程度：极完全解理（云母），完全解理（方解石），中等解理（辉石、长石），不完全解理，极不完全解理。,58/40,其他性质,断口(fracture)：与解理相反没有光滑平面。贝壳状的断口，锯齿参差状，纤维状，土状。石墨导电，石棉绝缘，萤石发光，自然硫可燃烧。,59/40,常见造岩矿物的肉眼鉴定,抓住主要特征综合考虑颜色、晶形、光泽、解理、硬度考虑矿物生成条件及共生矿物工具：小钢刀、放大镜、稀盐酸等。,60/40,Plagioclase斜长石,Orthoclase正长石,61/40,hornblende（角闪石）,62/40,Themostcommonpyroxenemineralisaugite.Augiteisgenerallydarkgreentoblackincolourandformsshort,stubby（短而粗）crystalswhich,ifyoulookatanend-onsection,havesquareorrectangularcross-sections.,Pyroxene（辉石）,63/40,Talcoccursingranular（粒状的）orfoliated（片状的）massessometimesknownassoapstone（皂石）.Itiswhitetogreen,sometimesgreyorbrownish.Itisverysoftandwillbescratchedbyafingernail.Ithasagreasyfeel（滑感）,5Talc（滑石）,64/40,Olivineinthejewellerytrade,isyellow-green,translucent（半透明的）andglassylooking.Crystalsarenotcommon;itusuallyoccursasroundedgrainsinigneous（火成的）rocksorasgranularmasses.Olivineisalmostashardasquartz;itdoesnothaveawell-developedcleavage.,6Olivine橄榄石,65/40,Micaiseasilydistinguishedbyitscharacteristicofpeelingintomanythinflatsmoothsheetsorflakes（薄片）.Thisissimilartothecleavageinfeldsparexceptthatinthecaseofmicathecleavageplanesareinonlyonedirectionandnorightanglefacejoinsoccur.Micamaybewhiteandpearlyordarkandshiny.,7Mica云母,66/40,8Gypsum(plasterstone,石膏)9Kaolinite(高岭石)10Montmorillonite（蒙脱石）11Watermica（伊利石）,67/40,68/40,岩石(rock)：一种或多种矿物组成的自然集合体。按成因分为三大类：,岩浆岩(magmaticrock)在地壳上分布面积约占7；沉积岩(sedimentaryrock)在地壳上分布面积约占75；变质岩(metamorphicrock)在地壳上分布面积约占18。,1.2.2岩石,69/40,岩浆岩(magmaticrock),成因类型：由地下深处的高温高压熔融的岩浆以侵入(intru-sive)或喷出(effusive)方式直接冷凝而成。,70/40,岩浆岩的产状,71/40,Batholith岩基,Captivemass俘虏体,laccolith岩盘,岩墙Rockwall,岩株,Volcanoneck火山颈,Lavaflow岩流,Sill岩床,72/40,volcano,73/40,花岗岩的矿物成分,岩浆岩物质成分主要是硅酸盐矿物，还有一部分金属硫化物、氧化物及挥发性物质。按SiO2含量分为：基性岩浆和酸性岩浆等;按矿物成分分为：硅铝矿物和铁镁矿物。,74/40,SiO2超基性岩45%基性岩42-52%中性岩52-65%酸性岩65%SiO2含量增加，FeO、MgO减少。,矿物成分：浅色矿物：富含硅，铝成分。白云母、石英、长石。深色矿物：富含铁镁成分。黑云母，辉石，角闪石，橄榄石。长石、石英含量在岩浆岩中最大，所以两者是岩浆岩分类和鉴定的重要依据。,75/40,岩浆岩的结构(texture),指组成岩石的矿物结晶程度、晶粒大小、形状及组合关系。可反映岩浆冷凝时的物理环境。,按矿物结晶程度分为：全晶质是深成侵入岩结构特征半晶质是浅成侵入岩结构特征非晶质是喷出岩结构特征,按晶粒大小分为：粗晶、中晶、细晶、微晶按晶粒相对大小分为：等粒、不等粒、斑状,76/40,岩浆岩的构造(structure)指矿物在岩石中的排列和充填方式。常见构造：流纹状构造气孔和杏仁状构造块状构造,77/40,花岗闪长岩,玄武岩,78/40,表2-3岩浆岩分类简表,79/40,公园里的花岗岩装饰,80/40,沉积岩(sedimentaryrock),成因：地表岩石破坏,搬运,沉积,硬结成岩,物质组成：岩石碎屑黏土矿物化学沉积矿物有机质及生物残骸,81/40,沉积岩的结构碎屑结构,泥质结构结晶结构生物结构,82/40,沉积岩的构造层理构造(stratification)（水平层理、波状层理、斜层理等）层面构造(beddingplane)（雨痕、泥裂等）,(a),(b),(c),(d),图2-10沉积岩的层理类型(a)水平层理；(b)交错层理；(c)单斜层理；(d)透镜体及尖灭层,83/40,碎屑岩的胶结物：硅质强度高铁质易氧化钙质易溶解泥质易软化,胶结类型：基底式胶结(a)孔隙式胶结(b)接触式胶结(c),(a)(b)(c),图2-11碎屑岩的胶结类型,84/40,沉积岩的分类碎屑岩黏土岩化学沉积岩生物化学岩,85/40,表2-4沉积岩分类简表,86/40,页岩,硅质灰岩,87/40,砾岩,88/40,砂岩(d=2-0.05mm),89/40,粉砂岩(d=0.05-0.005mm),泥岩(d0.005mm),90/40,页岩(d0.005mm),91/40,石灰岩,92/40,白云岩,93/40,变质岩(metamorphicrock),成因：岩石受地壳运动及岩浆入侵的高温高压作用和化学成分的加入，改变原结构构造而形成。变质作用类型：接触变质作用动力变质作用区域变质作用,图2-12接触变质带示意图,94/40,变质岩的形成,95/40,接触变质岩的形成,96/40,区域变质岩的形成,97/40,物质组成：除原有矿物外，特有变质矿物结构：变余结构、变晶结构、压碎结构构造：片状构造、片麻状构造、千枚状构造板状构造、块状构造。,98/40,表2-5变质岩分类表,99/40,花岗片麻岩,大理岩,100/40,三大类岩石的肉眼鉴别,岩浆岩的鉴别方法先看颜色,再看结构和构造,然后看矿物成分。沉积岩的鉴别方法先看结构,再看成分。变质岩的鉴别方法先看构造,再看成分。,101/40,1.4.1褶皱构造1.4.2断裂构造1.4.3地质年代,第四节地质构造与地质年代,102/40,地质构造就是指缓慢而长期的地壳运动使岩石发生变形，产生相对位移，形变后所表现出来的种种形态。,103/40,（1）褶皱构造岩层受到构造运动作用后，在未丧失连续性的情况下产生的弯曲变形。,褶曲褶皱构造中的任何一个单独的弯曲。,104/40,褶皱形成过程,105/40,106/40,107/40,108/40,109/40,核部(core)两翼(limb)轴面(axialplane)轴线(axialline)枢纽(hinge),二、褶曲要素,110/40,褶曲的基本形态,背斜向斜,111/40,老,新,新,背斜,岩层向上弯曲凸出，正常情况下两翼地层相背倾斜。经剥蚀后核部地层时代老，两翼地层时代新。背中老。,112/40,向斜,老,新,老,向斜:岩层弯曲向下凹陷，正常情况下，两翼地层相向倾斜。经剥蚀后核部地层时代新，两翼地层时代老。,113/40,地形倒置：向斜成山，背斜成谷。,向斜和背斜剖面示意图,114/40,褶曲的野外观察法,1.通过横向、纵向的观察，找地层界线、断层线、化石等，观察岩层是否有对称重复出现的现象；2.比较核部与两翼岩层的新老关系，比较两翼岩层的走向和倾斜；3.研究两翼相当层的平面形态。,115/40,走向,走向,倾向,倾向,倾角,倾角,116/40,三、褶皱的工程意义,褶皱构造很普遍，无论是对找矿、找地下水及水利建设都有着相当重要的意义。根据褶皱两翼对称重复的规律，在褶皱的一侧发现沉积型矿层时，可预测在另一侧也可能有相应的矿层存在；石油常储存在背斜的顶部。除此以外，背斜核部的岩层常常较为破碎，如果水库位于此就易于漏水，工程建设时必须注意到这一点。,117/40,褶皱构造的工程地质评价：对深路堑和高边坡对隧道工程,褶曲构造与隧道位置选择1、3-不利；2-较好,山坡岩层地质构造的影响a-向斜山；b-背斜山；c-单斜山1-有利情况；2-不利情况,118/40,119/40,120/40,思考题：1.什么是褶皱构造？什么是褶曲？褶曲的基本形式有哪两种？作业题：2.论述在野外怎样观察褶曲？3.褶曲有哪些分类方法？是怎样分类的。,121/40,（2）断裂构造,断裂构造指岩层受构造运动的作用，当所受的构造应力超过其破裂强度时，岩石或岩块失去连续性而产生断裂的地质构造。,122/40,（2）断裂构造,一、节理二、断层,123/40,一、节理,北京西山的一条张剪性节理,指岩层受力断开后，断裂面两侧岩层沿断裂面没有明显相对位移的断裂构造。,124/40,节理,125/40,按力学性质分类：,剪节理张节理,126/40,剪节理由剪应力产生的破裂面。,特征：长、大、平直光滑，延伸稳定，常常呈“X”型，可切穿砾石。,127/40,张节理由张应力产生的破裂面。,特征：短、小、粗糙不平，延伸不远，常呈豆荚状、树枝状，常绕开砾石。,128/40,二、断层,断层是指岩石在构造应力作用下发生断裂，沿断裂面两侧的岩块发生明显的相对位移的断裂构造。,129/40,岩石在构造应力作用下发生断裂，沿断裂面两侧的岩块发生明显的相对位移的断裂构造。,断层,130/40,（一）断层的几何要素,2断层线断层面与水平面或垂直面的交线。,1.断层面2.断层线3.上盘4下盘,1断层面指断层中两侧岩层沿其运动的破裂面。,131/40,3断盘断层两侧相对移动的岩层。,1.断层面2.断层线3.上盘4下盘,132/40,4断距指岩层中同一点被断层断开后的位移量。,水平断距(am)重直断距(bm),总断距(ab),133/40,（二）断层的分类,逆断层,平移断层,正断层,1根据断层两盘相对运动的方向分为：,134/40,上盘下降,正断层：上盘相对下降或下盘相对上升的断层。,135/40,上盘上升,逆断层：上盘相对上升或下盘相对下降的断层。,136/40,逆断层按照断层面的倾角又可分为：,冲断层断层面倾角45；逆掩断层断层面倾角在2545；辗掩断层断层面倾角25。,137/40,水平错动,平移断层：两盘沿断层走向相对移动的断层。,138/40,139/40,2按断层面产状与岩层产状的关系分为：,F1-走向断层；F2-倾向断层；F3-斜向断层,140/40,3按断层面走向与褶曲轴走向的关系分类：,褶曲被横断层错断引起的效应,平行纵断层；垂直横断层；斜交斜断层。,141/40,逆断层,冲断层,142/40,4按形成断层的力学性质，可分为：,压应力压性断层，多为逆断层；张应力张性断层，多为正断层；剪应力扭性断层，多为平移断层。,143/40,5断层的组合类型,阶梯状断层地堑和地垒叠瓦式断层,144/40,阶梯状断层,145/40,地堑和地垒,地垒,地堑,146/40,叠瓦式构造,147/40,地层界限不连续或岩层中断,（三）断层的野外鉴别与研究,148/40,岩脉被切断，产生牵引现象,149/