岩石及其工程地质性质 1VIP

水利工程地质,第一章岩石及其工程地质性质,地球圈层构造,1.大气圈:对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,2.水圈：占地球总表面积71。海岸带：水深在20米以内，落潮时漏出水面、涨潮时被水淹没。大陆架：是大陆边缘的延展部分，水深不超过200米，称为浅海，海洋生物多，石油丰富。大陆坡：水深2002500米，海底坡度突然加大，是陆壳和洋壳之间的边界。大洋盆地：25006000米。海岭：大洋中脊。海沟：大洋的边缘分布深沟，深度800010000米。,海底地貌立体示意图,地球圈层构造,3、地壳：莫霍面以上地球的固体部分。上部为硅铝层，下部为硅镁层，平均厚度18Km。厚度相差很大，高山高原地区较厚，平原地区较薄，大洋地壳仅56Km。化学元素有百余种，含量极不均匀。地震波：一种叫纵波，传播速度快，在液态和固态的介质中透过；另一种叫横波，传播速度慢，只能在固态介质中透过。莫霍面：位于地表3040Km，由南斯拉夫莫霍洛维奇在1909年中发现。古登堡面：位于地表以下2900Km。,地球圈层构造,4.地幔：莫霍面以下，古登堡面以上部分。以650Km深度为界分为上地幔和下地幔。上地幔由含Fe、Mg多硅酸盐矿物组成，熔融状态、软流层、岩浆的发源地。下地幔FeO和MgO含量高。5.地核：自古登堡面以下至地心部分，厚度3470Km，铁镍物质组成。,地球内部构造示意图,海底扩张说,板块构造说示意图,第一节造岩矿物,Rockandmineral,地壳由岩石组成，岩石由矿物组成，矿物由各种元素组成所以研究地质地貌首先要从元素与矿物入手。,1.元素,地壳的基本组成是各种元素。各种元素在地壳中的含量相差很大。目前已知元素108种，自然界存在92种。O，Si，Al，Fe，Ca，Na，K，Mg，Ti，H等10种元素占地壳总重量99.96%，其中O，Si，Al，Fe占88.31%。,2矿物的概念,矿物的定义矿物是天然产出的自然元素的单质和化合物，具有相对固定的化学成分和物理性质。矿物是组成岩石的基本单位。（1）矿物是天然产出的，是地壳中各种地质作用的产物。实验室制造的物质，如人造金刚石、人造水晶等，通常叫人造矿物(合成矿物)，不属于地质学中矿物的讨论范畴。陨石来自其它天体，其中的矿物称为陨石砂物、宇宙矿物，这样可区别于地壳中形成的矿物。,矿物的概念,（2）矿物具有一定的化学成分绝大多数为化合物，如石英SiO2，钾长石KAlSi3O8，方铅矿PbS，岩盐NaCl；少数为单质元素，如石墨C，金刚石C，自然金Au等和一定的内部结构，从而也有一定的形态、物理和化学性质。如岩盐内部质点(Na+，CI-离子)的规则排列(格子状)，其外形多呈立方体，受外力作用破碎后又呈小的立方体。（3）任何一种矿物都只在一定的地质条件下才是相对稳定的，当外界条件改变至一定程度时，其成分、结构就要发生变化，同时生成适应新环境的新矿物。如黄铁矿与空气、水分接触，就要发生变化，生成褐铁矿(铁的氢氧化物)。,造岩矿物,造岩矿物-组成地壳岩石的主要矿物大多数矿物以固态产出(如石英、长石、岩盐)，但也可以呈液态(如水、石油、水银)或气态(如火山蒸气中的CO2、水蒸气和天然气等)形态产出或胶态产出(蛋白质)。冰也是矿物。矿物多为无机物，但也有若干有机物，如甲烷等。造矿矿物-形成有用矿产的矿物(矿石中有用组分)。自然界目前已发现3000多种矿物，被利用的只有200来种。,一、矿物的形态（一）矿物的单体形态,1晶体与非晶质体晶体是内部质点(原子、离子、分子、离子团)在三维空间有规律重复排列(即有序排列)的固体。,(1)由于质点呈有序排列，晶体内部就具有格子状结构，称为晶体结构。如：石盐呈立方体。(2)不同晶体，其质点的种类不同，质点的排列方式和间距不同，因而具有不同的晶体结构。如：石墨和金刚石,非晶质体-通常是指内部质点既不呈规则排列(无格子状构造)，也无几何多面体外形的固体。（1）由胶体粒子(一个胶体粒子包括一个或多个分子)从胶体溶液中凝聚聚而成的胶凝体就属于非晶体，如蛋白石（SiO2nH2O）脱水不完全的二氧化硅凝胶。（2）由火山喷发出来的部分物质因冷凝极快，不能结晶，也属于非晶质体(常称其为玻璃质)。,一、矿物的形态（一）矿物的单体形态,一、矿物的形态（一）矿物的单体形态,2、矿物的结晶习性在相同条件下生长的同种晶粒，总是趋向于形成某种特定的晶形和形态特征，这就是矿物晶体的结晶习性。如石英晶体呈柱状，云母是片状、板状，石盐、黄铁矿呈粒状晶体等。分为三类：一向延长：呈柱状、棒状、针状、纤维状等，如角闪石、辉石、石绵等；二向延长：呈板状、片状、鳞片状等。如石墨、云母；三向延长：呈长柱状、短柱状、厚板状、粒状(立方体、八面体)，如石榴石、黄铁矿、磁铁矿等。,一、矿物形态（二）矿物集合体的形态：同种矿物的多个单晶(单形，聚形-多个单形构成)聚集在一起成群产出，即构成集合体。,晶体集合体形态有放射状、纤维状、毛发状；鳞片状；粒状(显晶质集合体，肉眼能分清颗粒界限)或土状(疏松者)或致密块状集合体(肉眼或放大镜难以辨认颗粒边界，如磁铁矿)。晶簇：岩石的空洞或裂隙中，良好的生长条件，晶形完好，同一基底向外生长，成群产出。还有规则集合体，有规律连生成双晶：二个或多个同种晶体连生，具对称轴或对称面。,一、矿物形态（二）矿物集合体的形态：,隐晶质或胶态集合体(非晶质)：溶体或胶体直接沉积而成，肉眼不能认颗粒。胶体老化后呈隐晶质或显晶质。鲕状或豆状：园球状集合体，内部具同心层状，;钢刀6-7,二、矿物的物理性质,7.其它性质弹性：矿物受力后发生弯曲面而不断裂，外力消除后，又能恢复原状的性质叫弹性。挠性：外力消除后，不再恢复原状的性质叫矿物的挠性。如：云母具弹性；辉钼矿具挠性。脆性：磁性：比重：与相同体积水之重量比。分三级：轻-比重小于2.5，如石墨；中等-比重2.5-4，如石英、方解石；重-比重大于4，如重晶石、磁铁矿与稀盐酸反应程度鉴定方解石、白云石,自然界中的矿物绝大多数不是以鼓励的个体形式存在，而是依照一定的规律相互结合在一起。由一种或多种矿物聚酯在一起的集合体叫做岩石。组成地壳的岩石按成因分为：岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩按质量百分比计算：沉积岩占地壳质量的5，变质岩占6，岩浆岩占89。按在地表表面分布：沉积岩占陆地表面的75，变质岩和岩浆岩占25。,第二节岩浆岩,长白山天池火山,岩浆岩,皮纳图博火山位于菲律宾吕宋岛,岩浆岩的形成,岩浆岩的形成,一、岩浆岩的成因与产状,岩浆岩又火成岩，是由岩浆岩冷凝固结后形成的岩石。成分：以硅酸盐为主和金属硫化物、氧化物、水蒸气及其它挥发性物质（CO2、CO、SO2、HCL和H2S等）岩浆岩的产状：是指岩浆体的形态、规模、与围岩接触关系、形成时所处的地质构造环境及距离当时地表的深度等。按岩浆岩是否喷出地表可分为:,按SiO2的含量分类:超基性岩SiO265%从超基性岩到酸性岩，随着SiO2增加，FeO、MgO逐渐减少，K2O、NaO逐渐增加，颜色由深变为浅，粘性由小变大，流动性由大变小。,一、岩浆岩的成因与产状,岩浆岩产状-岩基,岩基,岩株是体积较小，面积小于60平方公里，与周围接触面较陡直，岩性均一，良好建筑基础。,岩基,岩株,岩盘是厚度较大，底部较平，顶部穹隆状，面积数平方公里,岩脉是沿岩层裂隙侵入形成的狭长形的与围岩层理或片理斜交.岩墙是比较规则而近似直立的板状,（二）喷出岩岩体的产状1、中心式喷出（沿一定的圆管状管道喷出地表而成）火山锥：熔岩和火山碎屑物绕火山通道堆积形成的锥状体.熔岩锥、火山碎屑锥和混合锥.熔岩流：粘度较小的基性熔岩自火山口沿某一方向流动2、裂隙式喷发（沿一定方向的裂隙喷达地表）熔岩被：岩浆沿着很长的地壳裂缝溢出，形成分布面积极广的熔岩被，覆盖的面积可达几万-几十万平方公里。多次溢出，总厚度可达几百米，甚至几千米以上。如峨眉山玄武岩，一般厚度几百米，分布范围50万平方公里。粘度较大的岩浆可形成火山锥或熔渣堤或熔岩脊。,岩浆流：岩浆的粘度小，流动性大，悄悄地从火山口里流出，向四周流散。例如：太平洋中夏威夷岛上的火山。,三、岩浆岩的结构,定义：岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小、形状以及它们的组合关系。是岩浆成分和岩浆冷凝时的物理环境的综合反映,1、按岩石中矿物的结晶程度划分,（1）全晶质结构全部由结晶矿物组成。先结晶的矿物按自己的生成规律成自形晶，后结晶的矿物因空间受到限制成为半自形或不规则形状的它形晶。多见于深成岩中，如花岗岩。（2）半晶质结构由结晶的矿物和非结晶的矿物所组成。多见于喷出岩中，如流纹岩。（3）玻璃质结构全部由玻璃质组成，多见于喷出岩中。岩浆上升到地表后温度下降，来不及结晶。,2、按岩石中矿物颗粒的绝对大小划分,（1）显晶质结构凭肉眼或放大镜分辨出矿物颗粒粗粒结构，颗粒直径5mm中粒结构，颗粒直径51mm细粒结构，颗粒直径10.1mm（2）隐晶质结构在显微镜下才能分辨出矿物颗粒，直径小于0.1mm,3、按岩石中矿物颗粒的相对大小划分,（1）等粒结构。同种主要矿物的颗粒粗细大致相等。（2）不等粒结构。同种主要矿物的颗粒粗细大小不等，且粒度大小成连续变化系列。（3）斑状结构。矿物颗粒分属大小显著不同的两群，大的称为斑晶，小的称为基质，基质由隐晶质及玻璃质的。先结晶形成斑晶，后结晶的形成基质。分布在喷出岩及部分浅成岩中。（4）似斑状结构。大的称为斑晶，小的称为基质，基质由显晶质组成，斑晶与基质差不多同时生成，分布在浅成岩及部分深成岩中。,结构和构造,四、岩浆岩的构造,定义：矿物在空间排列、配置和充填方式1、块状构造。矿物分布均匀，无定向排列2、流纹构造。在酸性喷出岩中常见到不同颜色或不同成分条带。3、气孔构造。熔岩的表层冷凝固结，阻止内部气体逸散。4、杏仁状构造。熔岩流中的气孔被次生矿物所填。,流纹构造,五、岩浆岩的分类及简易鉴定方法,1、岩浆岩分为三大类：深成岩、浅成岩、喷出岩。2、岩浆岩的简易鉴定方法1）确定岩浆岩的产状，了解它的野外产状2）结合产状，观察岩石的结构、构造。3）确定矿物成分：根据矿物的颜色、晶形、解理等特征，初步确定几种主要的造岩矿物，哪些是主要矿物和次要矿物。,六、主要岩浆岩的特征,花岗岩酸性深成岩常呈肉红色、浅灰色主要矿物为正长石、石英、黑云母、角闪石全晶质等粒结构、块状构造产状多为岩基和岩株可作地基和建筑石料,我国众多的名山中，以花岗岩构成的名山最多。华山、衡山、天柱山、黄山、九华山、普陀山、天台山、崂山、千山、鼓浪屿万石山、祁连山、贺兰山等。花岗岩地貌景观：峰林、石柱、峭壁悬崖、石蛋、洞穴等。,华山,衡山,天柱山,黄山-莲花峰,华山-孤峰擎天,天柱山-天都峰,闪长石属中性深成岩，浅灰至深灰色主要矿物为斜长石、角闪石，其次为黑云母、辉石及石英等粒结构，块状构造呈小型侵入体产出可作地基和建材,辉长石基性深成岩黑色或灰黑色主要矿物成分为斜长石和辉石，次要矿物为角闪石和橄榄石中粒结构块状构造岩盘和岩基产出,橄榄石主要矿物为橄榄石，次要为辉石及角闪石全晶质粒状结构块状构造暗绿色或黄绿色,闪长岩中性深成岩浅灰至深灰色主要矿物成分为斜长石和角闪石。次要矿物为黑云母、辉石和石英等。等粒状结构块状构造小型侵入体产出。地基和建材,流纹岩属酸性喷出岩呈岩流状产出颜色为灰、灰白和灰红等斑状结构（斑晶为正长石和石英，基质为隐晶或玻璃质）流纹构造岩性坚硬，可作良好建筑材料,浙江-雁荡山,浙江-灵峰,安山岩中性喷出岩灰、红褐或浅红褐色斑状结构（斑晶为斜长石，角闪石和辉石等，基质为隐晶或玻璃质）块状或气孔构造呈岩流产出,玄武岩基性喷出岩呈黑、灰绿及暗紫等色主要矿物成分为斜长石和辉石。次要矿物为角闪石和橄榄石斑状结构气孔构造及杏仁状构造岩性致密坚硬，易风化,玄武岩岩柱,南京-六合桂子山,岩浆岩的性质,岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大，如：深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙率小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体小，且穿插于不同的岩石中，易蚀变风化，使强度降低、透水性增大。喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。,第三节沉积岩,石灰岩砾岩,沉积岩是地表或近地表的岩石遭受风化剥蚀作用的破坏产物以及生物作用与火山作用的产物在原地或在外力搬运作用所形成的沉积物，又经固结作用而形成的岩石。,它是地壳表面分布最广的一种层状的岩石。,第三节沉积岩,一、沉积岩的形成,2、搬运作用阶段,1、风化破坏阶段：,3、沉积作用过程,4、成岩作用阶段,硬结成岩后，若因构造运动露于地表，又进入新一轮的风化、搬运、沉积等阶段。,第三节沉积岩,二、沉积岩的特征,1、沉积岩的物质组成（1）碎屑物质物理风化作用产生的碎屑物质组成,原生矿物的碎屑大部分化学性质比较稳定，难溶于水如石长石、白云母等；岩石的碎屑其他方式生成的一些物质,如火山喷发产生的火山灰等。,沉积岩的物质组成,（2）黏土矿物,主要是一些由含铝硅酸盐类矿物的岩石，经化学风化作用形成的次生矿物。如高岭石、微晶高岭石（蒙脱石）及水云母（伊利石）等。这类矿物的颗粒极细(2mm,砂质结构粒径介于0.052mm粗粒结构0.52mm中粒结构0.250.5mm细粒结构0.050.25mm,粉砂质结构0.0050.05mm,硅质胶结石英及其他二氧化硅,铁质胶结铁的氧化物及氢氧化物,泥质胶结细粒粘土矿物,钙质胶结方解石等碳酸盐,沉积岩的结构,砾状结构,（角）砾状结构,砂状结构,砂状结构长石砂岩,沉积岩的结构,（2）泥质结构,由50%以上的粒径小于0005mm的细小的岩屑和黏土矿物组成的结构。,由岩石中的颗粒在水溶液中结晶(如方解石、白云石等)或呈胶体形态凝结沉淀(如燧石等)形成的岩石结构被称为结晶状结构。,（3）结晶状结构,沉积岩的结构,鲕状灰岩,沉积岩的结构,豆状灰岩,（4）生物结构由生物遗体或碎片所组成，是生物化学岩所具有的结构。如贝壳结构、珊瑚结构等。,沉积岩的结构,沉积岩的构造,3、沉积岩的构造,沉积岩的构造指的是沉积岩的各个组成部分的空间分布和排列方式。,沉积岩最主要的构造是层理构造。,层理构造指的是沉积岩在形成过程中，由于沉积环境的改变所引起的沉积物质的成分、颗粒大小、形状或颜色在垂直方向发生变化而显示成层的现象。,（1）层理构造,沉积岩的层理构造,（a）水平层理（b）斜交层理（c）交错层理,有些岩层一端较厚，另一端逐渐变薄以至消失，这种现象称为尖灭层，若在不大的距离内两端都尖灭，而中间较厚，则称为透镜体。,沉积岩的构造,沉积岩的构造,沉积岩的构造,沉积岩的构造,（2）层面构造,波痕雨痕泥裂结核化石,常见的层面构造,沉积岩的构造,波痕,沉积岩的构造,泥裂,泥裂波痕,沉积岩的构造,沉积岩的构造,黄土中的结核,沉积岩的构造,珊瑚礁灰岩虫孔,常见沉积岩石,砾岩由50以上大于2mm的碎屑颗粒胶结而成的。由磨圆较好的砾石胶结而成的称为砾岩。由带棱角的角砾胶结而成的称为角砾岩。胶结物的成分和类型，对物理力学性质影响很大。,砂岩,是由50以上20.05mm粒径的颗粒胶结而成的。按颗粒大小细分为：粗粒、中粒、细粒及粉粒砂岩。根据主要碎屑矿物成分：石英砂岩（90以上的碎屑物质是石英，一般为硅质胶结，呈白色、质地坚硬）长石砂岩（长石含量25，岩屑含量50以上，长石含量50的岩石。成分以石英为主，次为长石和白云母。胶结物以钙质、铁质为主。薄层状构造。颜色为棕红色或暗褐色。,中国丹霞入选世界遗产名录2010年8月2日，以广东丹霞山为首申报的中国丹霞世界自然遗产，成为中国的第8项世界自然遗产。中国丹霞是一个系列提名的世界自然遗产，提名地包括广东丹霞山、贵州赤水、福建泰宁、湖南崀山、江西龙虎山、浙江江郎山等6个省的6处国家级风景名胜区，此次全部被正式批准列入世界遗产名录。,丹霞地貌(danxialandform)丹霞地貌属于红层地貌，是一种水平构造地貌。它是指红色砂岩经长期风化剥离和流水侵蚀，形成孤立的山峰和陡峭的奇岩怪石，是巨厚红色砂、砾岩层中沿垂直节理发育的各种丹霞奇峰的总称。主要发育于侏罗纪至第三纪的水平或缓倾的红色地层中，这种地貌以中国粤北地区韶关市内的丹霞山最为典型，所以称为丹霞地貌。它主要分布在中国、美国西部、中欧和澳大利亚等地，以中国分布最广，其中又以广东丹霞山面积最大，发育最典型、类型最齐全、形态最丰富、风景最优美。福建泰宁风景区、福建武夷山、连城、泰宁、永安，贵州赤水、江西龙虎山、鹰潭、弋阳、上饶、瑞金、宁都，青海坎布拉、广东省韶关市（仁化县）丹霞山（名称来源）、坪石镇金鸡岭、南雄县苍石寨、平远县南台石和五指石，浙江永康、新昌，广西桂平的白石山、容县的都峤山，四川江油的窦山、重庆綦江的老山、灌县的青城山，陕西凤县的赤龙山以及承德等地，是中国丹霞地貌的典型地质地貌。红层地貌中所谓“红层”是指在中生代侏罗纪至新生代第三纪沉积形成的红色岩系，一般称为“红色砂砾岩”。水平构造地貌指由产状水平或近于水平的第三纪厚层红色砂砾岩为主组成的平坦高地，受强烈侵蚀分割、溶蚀和重力崩塌等综合作用而造成平顶、陡崖、缓麓、孤立突出的塔状地形。,美丽的丹霞地貌,典型的丹霞地貌,广东丹霞地貌,广西丹霞地貌,丹霞地貌,丹霞地貌,青海坎布拉丹霞地貌,丹霞地貌,丹霞山,湖南莨山,福建武夷山,粘土岩是粒径0.005mm，主要由粘土矿物组成的岩石。常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等。其它成分有石英、长石、云母、褐铁矿等。主要的粘土岩有泥岩和页岩泥岩是由粘性土经脱水固结而成的。其特点：固结不紧密、不牢固；层理不发育，呈厚层状、块状；强度较低，遇水泥化；泥岩多形成于较新的地质时期。,页岩是由粘性土经脱水固结而成的。具有能沿层理面分裂成薄片或叶片的性质。颜色多种多样。依混入成分分为钙质页岩、硅质页岩、铁质页岩、炭质页岩等。岩性软弱、强度低、易软化。,石灰岩：由结晶细小的方解石组成，常有少量白云石、粘土、棱铁矿及石膏等混入物。纯石灰岩为白色、灰色等。可分为普通灰岩、生物灰岩、碎屑灰岩和燧石灰岩等。加冷盐酸起泡。分布广泛，建材、水泥原料、冶金工业的溶剂。,白云岩矿物成分主要为白云石，其次含有少量的方解石等。常为浅灰色、灰白色，呈隐晶质或细晶粒状结构。在常温下遇稀盐酸不起泡，加热或研成粉末后起泡。可作耐火材料。,泥灰岩当石灰岩中粘土矿物含量达2550时，称泥灰岩。颜色有灰色、黄色、褐色、红色等。强度低、易风化。可作水泥原料。遇稀盐酸起泡后留有白色泥点。,钙质灰岩,鲕粒结构灰岩,生物碎屑灰岩,豹皮状灰岩,角砾灰岩,礁灰岩,砾屑灰岩,桂林山水,路南石林,太湖石,第四节变质岩,地壳中原已形成的岩石（火成岩、沉积岩、早成变质岩），由于地壳运动和岩浆活动等造成物理、化学条件的变化，使原来岩石的成分、结构和构造发生一系列变化而形成的新岩石，称为变质岩。,片麻岩,一、变质作用的因素及类型1、变质作用的因素,变质作用的影响因素,温度是变质作用的基本因素，多数变质作用都是在温度升高条件下进行的。变质作用的温度范围从150200，直到700900。,压力变质压力可以从上百GPa到上千Gpa。根据压力的作用特征分为静压力和定向压力。,化学活动性流体流体以HO与CO为主，溶解了许多易挥发的物质及SiO等许多矿物质。,第四节变质岩,2.变质作用的方式,变质作用的方式,重结晶作用指岩石在固态状态下，同一种矿物经过有限的颗粒溶解、组分迁移，然后又重新结晶成较粗大颗粒的作用，在这一过程中矿物成分不发生变化。例如石灰岩（CaCO3)温度大理岩（CaCO3）,变质结晶作用指在原岩总体化学成分基本不变化的条件下，形成新矿物或新矿物组合的作用。例如高岭石350叶腊石,交代作用指化学活动性强的流体与固体岩石之间发生物质置换与交换作用，产生新矿物，岩石总体化学成分发生变化。例如KAlSi3O8(钾长石)+Na+NaAlSi3O8(钠长石)+K+,第四节变质岩,3.变质作用的主要类型,接触变质作用,动力变质作用,区域变质作用,第四节变质岩,接触变质作用,在岩浆岩体与围岩接触带上，主要由岩浆活动所带来的热量及活动性流体所引起的变质作用。,动力变质作用,指在构造变形、变位过程中所产生的定向压力的作用下，使岩石发生变形、破碎以及伴随的重结晶等作用。这种变质作用主要发生在相邻的两个岩石块体之间发生相对错动的接触面附近。这种接触面被称为断层或断裂带。,区域变质作用,在大区域范围内发生，并由温度、压力及化学活动性很强的流体等多种因素，共同引起的一种变质作用。区域变质作用影响的范围可达数千至数万km以上，影响深度可达30km以上，温度在200-800之间。,岩石圈,洋壳,大陆壳,低温高压带,高温低压带,高温高压带,2.4变质岩,二、变质岩的特征,1、变质岩的矿物成分,保留有原来岩石的矿物，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、白云石等。新的变质矿物，如石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石等。,根据变质岩特有的变质矿物，可把变质岩与其他岩石区别开来。,变质岩的结构,（1）变晶结构变晶结构是原岩在固态条件下发生重结晶或变质结晶所形成的结构。,不等粒变晶结构。斑状变晶结构。粒度较小的矿物中有相对较大变质形成的斑晶，如片岩、片麻岩。,按变晶大小的相对关系可分为:等粒变晶结构变晶颗粒大小近于相等，如大理岩、石英岩。,（2）变余结构从早先岩石中保留的结构,变余结构对于判别原岩的性质类型有重要意义。,例如：变质岩的原岩是砂岩或泥岩等沉积岩，则可能会出现变余砂状结构或变余泥状结构；变质岩的原岩是岩浆岩，则可能会有变余斑状结构等。,变质岩的结构,变质岩的结构,（3）碎裂结构从早先岩石中保留的结构,在不同应力作用下，岩石的矿物颗粒被破碎成不规则的、带棱角的碎屑，甚至被压碎成极细小矿物碎屑和粉末，而后又被胶结形成新的结构，称为碎裂结构。,变质岩的构造,变余构造,板状构造千枚状构造片状构造片麻状构造块状构造,变质岩的构造,变成构造,片理构造,片理厚，片理面平直，重结晶作用不明显，颗粒细密，光泽微弱，沿片理面裂开则呈厚度一致的板状，如板岩。,板状构造,千枚状构造,片理薄，片理面较平直，颗粒细密，沿片理面有绢云母出现，容易裂开呈千枚状，呈丝绢光泽，如千枚岩。,重结晶作用明显，片状、板状或柱状矿物沿片理面富集，平行排列，片理很薄，沿片理面很容易剥开呈不规则的薄片，光泽很强，如云母片岩等。,片状构造,片麻状构造,颗粒粗大，片理很不规则，粒状矿物呈条带状分布，少量片状、柱状矿物相间断续平行排列，沿片理面不易裂开，如片麻岩。,变质岩的构造,1.板状构造片理厚，片理面平直，颗粒细密，光泽微弱；片理面可见绢云母和绿泥石等，沿片理面裂开呈厚度一致的板状。变余泥质结构，受轻微的定向压力。变质程度最浅。,2.千枚状构造各部分基本已重结晶并呈定向排列，结晶程度低而使得肉眼不能分辨矿物。片理薄，片理面较平直，颗粒细密，仅在自然破裂面上有丝绢光泽（绢云母和绿泥石），沿片理面裂开呈千枚状。,3.片状构造在定向挤压力作用下，大量片状矿物呈平行定向排列。各部分全部重结晶，肉眼可见矿物颗粒，沿片理面容易裂开呈不规则的薄片。各向异性，其强度、透水性、抗风化能力等随方向而变化。,片状构造,4.片麻状构造片理面很不规则，颗粒粗大。粒状矿物呈条带状分布，少量片状/柱状矿物相间断续平行排列。结晶程度高。沿片理面不容易裂开。,5.块状构造-岩石中矿物均匀分布，结构均一，无定向排列。主要由粒状矿物组成，成致密块状构造。大理岩和石英岩的构造。,变质岩的分类及主要特征,（一）分类首先是根据构造特征其次是结构和矿物成分分类见表1-5。（二）主要变质岩,板岩主要有页岩、泥质粉砂岩等变质而来，变质程度最轻。具有板状构造。具变余泥质结构，重结晶不明显，片理面可见绢云母和绿泥石等。沿劈理易裂开成薄板状，加工成各种石板。可作隔水层，在水作用下软化，形成软弱夹层。,千枚岩其原岩类型与板岩相同，矿物成分主要有绢云母、绿泥石、石英等。千枚状构造。显微变晶结构。重结晶比板岩高，基本上重结晶。性质较软弱，易风化。,片岩具有片理构造。一般为磷片变晶结构、纤维状变晶结构。常见矿物有云母、绿泥石、滑石、角闪石等。粒状矿物以石英为主。强度较低，易风化。分类：云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、角闪石片岩等,片麻岩具有片麻状构造。中粗粒鳞片状变晶结构。由各种沉积岩、岩浆岩和原已形成的变质岩经变质作用而成。变质程度较深，矿物大都重结晶。主要矿物为长石、石英、黑云母、角闪石等。分类：如花岗岩片麻岩、角闪斜长片麻岩、黑云母钾长片麻岩等。,大理岩由钙、镁碳酸盐类沉积岩经过再结晶作用而变质形成。主要矿物成分为方解石、白云石。具有粒状变晶结构，块状构造。颜色有纯白、浅灰和浅红等。可作建材和装饰材料。,石英岩由石英砂岩和硅质岩变质而成，主要由石英组成（85%），其次可含白云母、长石、磁铁矿等。块状构造，呈粒状变晶结构。较纯的呈白色或灰色。坚硬，抗风化强。可作良好的地基。大理岩由钙、镁碳酸盐类沉积岩变质形成。主要矿物为方解石、白云石。粒状变晶结构，块状构造。常用作建筑材料和装饰材料。混合岩组成物质为基体和脉体两部分。基体是原来的变质岩，是区域变质作用的产物，多含暗色矿物。脉体是新生成的流体物质结晶部分，花岗岩，颜色较浅。脉体与基体以不同数量和方式混合，条带状混合岩、肠状混合岩、眼球状混合岩,变质岩的性质,变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。但是，如果在变质过程中形成某些变质矿物，如滑石、绿泥石、绢云母等，则其力学强度(特别是抗剪强度)会相对降低，抗风化能力变差。动力变质作用形成的变质岩(包括碎裂岩、断层角砾岩、糜棱岩等)的力学强度和抗水性均甚差。变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。,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.,三大类岩石特征对比表,第五节岩石的物理力学性质指标及风化岩石,一、岩石的主要物理力学性质指标,（一）岩石的主要物理性质指标1、密度和重度A.密度：是试样质量（m,g）与试样体积（V,cm2）的比值。分为天然密度（）、干密度（d）和饱和密度（sat）取决于其矿物成分，孔隙大小及含水量的多少。B.重度:单位体积岩石受到的重力，与密度的关系为：=9.8,一、岩石的主要物理力学性质指标,（一）岩石的主要物理性质指标2、相对密度（比重）：相对密度（GS）是干试样质量（没ms，g）与4时同体积纯水质量之比。GS=ms/Vsw3、孔隙率：岩石试样中孔隙的体积（VV，cm2）与岩石试样总体积（V，cm2）百分比。,岩石的主要物理性质,3、吸水率和饱和吸水率A.吸水率（Wa）是试样在大气压和室温条件下吸入水的质量（mw1，g）与试样固体体积（ms，g）之比，以百分数表示。Wa=mw1/ms用自由浸入法测定B.饱和吸水率：试样在强制状态下的最大吸水量（mw2，g）与试样固体质量（ms，g）的百分比。Wsa=mw2/ms用煮沸法或真空抽气法测定C.饱和系数（Kw）：岩石的吸水率（Wa）与饱和吸水率Wsa之比。Kw=（Wa）/Wsa,岩石的主要物理性质,4、软化性：岩石在饱和水状态下的极限抗压强度与岩石风干状态下极限抗压强度的比值。岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质。决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。（粘土）5、抗冻性：岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。岩石孔隙中有水存在时，水结冰，体积膨胀，就产生巨大的压力，使岩石的强度和稳定性破坏。抵抗这种压力作用的能力。,第五节岩石的物理力学性质指标及风化岩石,（二）岩石的主要力学性质指标1、单轴抗压强度（R，Pa）是试件在无侧限条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上所承受的荷载。R=P(MN)/A(m2)影响因素主要：矿物成分、结构、构造、风化程度和含水情况等；与试验条件，如试件大小、形状和加荷速率有关。岩石吸水后，抗压强度降低，软化系数,岩石的主要力学性质,2、岩石的变形参数弹性模量：弹性模量应力和应变之比。变形模量：泊松比：岩石在轴向压力作用下产生的横向应变与纵向应变的比。越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。一般在（0.20.4之间）抗压强度岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏时的极限应力。抗剪强度岩石抵抗剪切破坏时，剪破面上的最大剪应力。抗拉强度岩石单向拉伸时，拉断破坏时的最大张应力。,岩石的主要力学性质,3、抗剪强度抗剪强度（）是岩石抵抗剪切破坏的能力。指标是粘聚力c和内摩擦角，内摩擦角的正切（tg）即摩擦系数（f）。s=tg+c试验：用于坝基混凝土与基岩的接触面或完整岩石,岩石的主要力学性质,(2)摩擦强度（f）是剪切破裂面时预先制好，或已剪断的试样。c值常忽略不计。摩擦强度表达式：f=tg试验：用于含有节理裂隙等软弱面，或已滑动过的破裂面。,岩石的主要力学性质,3、抗剪强度(3)抗切强度（c）是垂直压应力为0时，无裂隙岩石的最大剪应力。c=c用于求岩石c的及边坡的稳定计算,（三）常见岩石的主要物理力学性质指标的经验数据见表1-6。,二、岩石的风化作用,定义：分布在地表或附近岩石，经受太阳辐射、大气、水溶液及生物等因素的侵袭，逐渐破碎、松散或矿物成分发生化学变化，甚至生成新的矿物现象。风化后物理力学性质变化，力学强度降低。（一）风化作用的类型（二）影响岩石风化的因素及风化岩的分布特征,二、岩石的风化作用,（一）风化作用的类型1、物理风化定义：岩石只产生单纯的机械性破坏，而不发生化学成分变化的风化作用。主要因素（1）温度的变化，产生温度应力；（2）地下水，在冻融季节反复交替进行，导致岩石崩裂。后果：形成大小不等的岩屑堆积物。,风化作用的类型,1、机械风化(物理风化）作用机械风化作用，是由于温度变化及岩石空隙中水和盐分的物态变化引起的，作用方式主要有：岩石的热胀冷缩。温度昼夜变化、季节变化。日变化影响最大，内陆干旱沙漠地区，昼夜温差变化、物理风化最强烈。如西北沙漠地区，白天47，晚上-3，相差50.(1)不同矿物胀缩系数不一，相互脱落。(2)表里不一。白天，表面受晒膨胀，晚上，表面冷缩，内部受热开始胀。,机械风化作用（物理风化）,2.岩石空隙中水和盐分的物态的变化结冰体积膨胀，对周围岩石产生挤压力，扩大孔隙，冰劈作用。盐结晶时体积膨胀。机械风化作用可以形成倒石锥地貌。,二、岩石的风化作用,2、化学风化定义：在氧、水溶液等风化因素侵袭下，岩石中矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的性状并可形成次生矿物的作用过程。（1）氧化作用。空气中1/5氧黄铁矿FeS2(+)氧化成褐铁矿Fe2O3.nH2O(3+)，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。4FeS2+15O2+mH2O2Fe2O3nH2O+8H2SO4(2)溶解作用。任何矿物都溶于水，只是溶解度有大有小。矿物质在水中被分解成离子过程。方解石遇到含CO2的水形成重盐酸。CaCO3+CO2+H2OCaHCO32,二、岩石的风化作用,(3)水化作用。矿物吸收一定数量的水分子变成新的含水矿物。硬石膏吸水变成石膏。CaSO4+2H2OCaSO42H2O（4）水解作用。水分解产生H+与OH-与矿物起化学反应的过程。如正长石水解成高岭石。4KAlSi3O3+6H2OAl4（Si4O10)(OH)8+8SiO2+2KOH（5）软化、泥化作用。由粘土矿物组成或胶结的岩石，吸水强度降低、变软、是一种物理化学作用过程。,化学风化作用,二、岩石的风化作用,3、生物风化定义：生长在岩石裂缝中的植物，其根部挤压岩石，并分泌出酸类破坏岩石中矿物质以吸取养分。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。,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：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。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、岩石的风化作用（二）影响岩石风化的因素及风化岩的分布特征,1、气候、地形和地下水的影响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。岩屑的堆积深度较浅。西北地区，风化岩厚度不超过2030m。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，在有利的条件下可形成残积矿床。可形成较厚的土壤层。粘土堆积物深度较深。如闽、粤花岗岩风化深度达80m。,气候条件,二、岩石的风化作用,b.地形的影响在陡峭的河谷、海岸边坡地段，风化岩层较薄。平缓岸坡、丘陵和分水岭地段较厚。河谷底，水流冲刷，强风化层不存在。c.地下水地下水循环好的地区，形成较厚的风化层。地下水位以上，干湿交替，风化作用活跃。地