4工程地质外动力地质作用及第四纪沉积物

第四章外动力地质作用及第四纪沉积物第一节概述第二节风化作用第三节冰川的地质作用第四节地表流水（河流）的地质作用第五节风（荒漠）的地质作用第六节湖泊的地质作用第七节海洋的地质作用第八节岩溶地质作用,在地表及地表附近太阳能昼夜及季节的温度变化，流动的水、大气，生物活动风化破坏地表岩土、剥离原地、搬运到低处沉积下来。外动力地质作用-能量来自地球外部，作用于地表及地表附近。,第一节概述,温度的变化、流动的水、冰、大气(风)、及生物,机械破坏（破坏成碎块）化学分解（形成新的矿物）溶解,地壳岩石,外动力地质作用，可分解分为四个阶段：风化、剥蚀、搬运和沉积。主要外动力地质营力：冰川地表流水（河流）风（荒漠）湖泊海洋地下水（岩溶）作用规律，各种侵蚀和沉积地貌，第四纪沉积物的特征（结构、构造、成分）及工程性质。注：第四纪地质历史的最近的一个纪（180万年以来）。,沉积物的结构主要指沉积物组成颗粒的以下3个性质：主要尺寸大小、尺寸大小的分布、颗粒形态（磨圆程度）（1）颗粒的尺寸大小：砾石、砂、粉砂、粘粒砾石：2mm砂：2-0.05（0.075）mm粉砂：0.05（0.075）-0.005mm粘粒：0.005mm,（2）颗粒尺寸大小分布，称为分选性粒度一致-分选性好，粒度不一致-分选性差,（3）颗粒形态：磨圆程度，棱角鲜明的圆滑的磨圆很差好：棱角状、次棱角状、次圆状、圆状。,沉积物的构造沉积物颗粒的分布和排列特征。对于第四纪沉积物，主要是层理构造。层理构造：沉积物的成分和结构成层状分布。,层理构造的沉积物,无层理的沉积物,层理构造的沉积物,沉积物的成分沉积物组成颗粒的矿物或岩石成分，通常和粒径有关：粗颗粒通常为硬质岩石和矿物，细颗粒有很多软弱成分：粘土矿物，有机成分等。以河流沉积物为例：砾石：岩石，粒径越大，通常成分越复杂砂、粉砂：石英颗粒为主，少量长石、白云母等粘粒：粘土矿物为主,沉积物的工程性质力学性质(承载力，变形)水理性质（透水性，软化性）通常和沉积物的成分（结构）及密实度有关：粗粒沉积物，承载力高、变形小，透水性强、不软化。细粒沉积物：承载力低、变形大，透水性弱、饱水软化。密实度高：承载力高、变形小。透水性和软化性略减弱。密实度低：承载力低、变形大。透水性和软化性略增强。,第二节风化作用一、风化作用及其类型在地表环境中的岩石，由于温度变化、水、大气、及生物的作用，使之发生机械破碎、化学分解，溶解等破坏作用，称为风化作用。风化作用是一种原地破坏作用。机械破碎作用-物理风化；化学分解破坏-化学风化；生物破坏作用-生物风化。,1物理风化作用由于温度变化、由于岩石空隙中水的冻结及盐类的结晶，使岩石发生破碎崩解，而又不改变其化学成份，这种过程称物理风化作用。物理风化使完整的岩石破坏成碎块及岩屑。,内陆干旱地区，地表气温日变化很大，昼夜温差达数十摄氏度。这种温度变化从两个方面导致岩石的破坏解体：a.破坏岩石中矿物的粒间联结岩石多半是非均质体，组成岩石的不同矿物各具不同的热膨胀系数。当温度变化时，不同矿物发生不同的体积胀缩，从而破坏不同矿物晶粒间的联结，使原本紧密完整的岩石内部变得松散；,b.使岩体产生裂隙岩石是热的不良导体。在昼夜温差显著的地区，上午内凉外热的温差，而夜里外凉内热的状态。这种温差造成岩石内外的昼夜不均匀胀缩，在岩石中形成裂隙，使之渐渐解体。,李冰火烧水激法凿穿玉垒山战国时代李冰修都江堰，最艰难工程是开凿宝瓶口。李冰以火烧水激，使岩石爆裂，凿穿玉垒山。,宝瓶口,在均匀块状构造岩石（如花岗岩）的出露地区，岩石表层常发生层状剥离现象。,层状沉积岩层内的球状风化,云南会泽草山，图片来自周梅,冰劈作用高纬度和高山区，昼夜温度常在零度上下变化。地表岩石中的孔隙和裂隙中的水结冰时，体积比原来的水增大1/11左右，对岩壁产生的压力可达96MPa以上。冰劈作用在高纬度和高山区发育最甚。,物理风化作用是一种机械破坏作用，主要作用因素是温度。作用深度有限，通常只有几米。,2化学风化作用化学风化水溶液、水中的氧及酸类对岩石的化学破坏，将原生矿物（如长石、角闪石、辉石等）变成在地表环境下较为稳定的次生矿物（如粘土矿物等）。化学风化有以下几种方式：溶解作用，氧化作用，水化作用，水解作用。,a.溶解作用：常见可溶矿物及其溶解度：岩盐(NaCl)（溶解度360g/L）、石膏(CaSO42H2O)（1-2）、方解石(CaCO3)（10-3-10-2）。当水中含有一定量的CO2时，会大大提高对方解石的溶解能力（PH值降低1，溶解度提高约10倍）。,b.氧化作用：低价氧化物和硫化物最易遭受氧化作用。如黄铁矿（FeS2）在水的帮助下很容易氧化成褐铁矿（Fe2O3nH2O）,褐铁矿,黄铁矿,FeS2+O2+H2O2Fe2O3H2O6H2SO4产物中，硫酸有很强的溶蚀能力。,c.水化作用：能吸收一定量的水到其晶体结构中去，形成新的含水矿物。如CaSO4+2H2OCaSO42H2O(硬石膏)(石膏),硬石膏,石膏,硬度3.5比重3.0,水化作用常使矿物体积膨胀，如硬石膏变成石膏，体积将增加30%，对岩体产生破坏。,硬度2比重2.3,d.水解作用：在一定条件下，水与岩石的组成矿物发生作用时，矿物成分可被分解，并和水进行化学成份的交换，形成带OH的新矿物。,如长石经水解后可形成高岭石：4KAlSi3O8+6H2OAl4(SiO10)(OH)8+8SiO2+4KOH(正长石)(高岭石),KOH和部分SiO2呈溶液及胶体状态随水迁移，难溶于水的高岭土和蛋白石(SiO2nH2O)残留原地。,在剧烈化学风化条件下，高岭土还会继续被水解，最后形成铝土矿和二氧化硅：Al4(SiO10)(OH)8mH2O2Al2O3nH2O+4SiO2+4H2O(高岭土)(铝土矿),化学风化形成两部分产物：能溶于水的可迁移物质（离子，胶体），被流水带走；难溶组分，如高岭土、蛋白石(SiO2nH2O)、铝土矿和褐铁矿，残留原地。这些残积物都呈疏松状。,3生物风化生物的作用对岩石的破坏称生物风化。机械破坏作用：动物（如鼠蚁等）在岩土中的活动、植物根系的粘着、穿插和剥离，使之疏松破碎。例如，“根劈作用”。,根劈作用,生物化学作用：微生物及植物根系在新陈代谢中产生的酸类，侵蚀破坏岩石。,化学风化及生物风化作用中的关键因素：水和温度。湿热气候条件（如东南沿海地区）有利于化学风化和化学风化作用的进行，化学风化作用可达很深（几十米以上）。风化产物有大量粘土矿物。而在北方干燥和寒冷地区，则不发育化学风化作用，风化层一般很薄。风化产物以碎屑为主。,二、影响风化作用的主要因素由于地理、地质条件的不同，陆地表面各处风化作用的性质、风化带深度、风化破坏程度都会有很大差异。其中气候条件是起决定作用的，决定风化作用的类型和总体强度。地质构造和岩石性质则影响同一地区的不同构造部位及岩体（岩性）的风化差异性。,（1）气候条件在干燥及寒冷的沙漠、高山及高纬地区，温度变化幅度大，缺乏水的活动。因而这里物理风化作用占主导地位，化学作用微弱，岩石多被破坏成碎块和碎屑，很少出现粘土矿物，风化带深度一般不超过数米。,而在高温多雨的湿热地区，生物繁茂，生物的新陈代谢活动旺盛，产生大量的有机酸。这样的气候有利于化学风化和生物风化作用。硅酸盐矿物被分解得较彻底，形成大量的残余粘土，风化深度可达数十米以上。,（2）岩石性质不同的造岩矿物，由于其化学成份和力学强度的差异而影响其抗风化能力，尤其是在化学风化作用下的稳定性。常见造岩矿物的抗化学风化的稳定性如表所示。另外，方解石和白云石有一定的溶解性。,岩浆岩的主要矿物成分：斜长石、正长石、石英、角闪石、辉石。其中石英和部分长石抗风化能力较强。而角闪石、辉石，还有部分长石的抗风化能力较弱。所以，岩浆岩总地来说抗风化能力弱。主要由暗色矿物组成的基性岩（主要矿物是辉石和基性斜长石）和超基性岩（主要矿物是橄榄石和辉石）比主要有浅色矿物组成的酸性岩易受风化。沉积岩主要由经过了地表风化改造后的产物组成，因而整体上抗化学风化的能力较强。其中的泥质岩，易被风化成松软破碎状。,由于抗风化能力的差异，不同岩石相互接触或互层的地方会看到差异风化现象。,差异风化白云岩中的岩墙，遭受严重风化，剥蚀后形成凹槽地貌。白云岩虽有微弱的溶蚀性，但在北方较干旱的气候条件下，未见溶蚀现象。出露的白云岩非常新鲜。,石灰岩中的差异风化（泥质条带形成凹槽）,石灰岩和白云岩易被溶蚀,形成各种溶蚀地貌,图片来自,风化的石碑(石灰岩)约公元前1500年建于埃及。1879年运往美国，1881年立在了纽约中央公园。,（3）地质构造地质构造对岩石风化的影响主要在于其中的断裂(断层和裂隙)。因为断裂及裂隙不但破坏了岩石的完整性，还给地下水的活动提供了方便。,所以在断裂及裂隙发育的地段，风化作用强烈，作用深度也异常加大。构造破碎带在地形上往往造成低地形或沟谷。因而在野外地质工作中，有“逢沟必断”的说法。,3）地质构造地质构造对岩石风化的影响主要在于其中的断裂(断层及各种裂隙)。因为断裂及裂隙不但破坏了岩石的完整性，还给地下水的活动提供了方便。,所以在断裂及裂隙发育的地段，风化作用强烈，作用深度也异常加大。构造破碎带在地形上往往造成低地形或沟谷。因而在野外地质工作中，有“逢沟必断”的说法。,断层,寒武系页岩中发育的断层沟,人类活动对风化作用的影响直接的作用：人的各种生产建设活动，直接造成地表及地表附近岩土的改造，及自然过程的改变。如耕种和放牧活动、筑坝、采矿、抽取地下水等。间接的影响：人类活动改变岩石圈、大气圈和水圈的特性，从而影响自然地质作用。如大量SO2排放造成酸雨、温室效应对全球气候的影响等。,三、风化作用的产物：风化带和残积物风化作用使地表附近的岩石发生化学破坏和机械破碎，矿物成份和完整性发生不同程度的改变，形成与原岩性质不同的风化带。另外，侵蚀和生物作用，可能使得最表层失去部分组分、或混入外来成分，形成残积物和土壤。在垂直剖面上，从地表向下，依次为：土壤（可能缺失）残积物（可能缺失）风化带（可能缺失）新鲜岩石,岩土工程勘查规范GB50021-2001（2009年版）划分出4种风化程度的岩石：全风化、强风化、中等风化和微风化。,注：1波速比Kv为风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比；2风化系数Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比；5泥岩和半成岩，可不进行风化程度划分。,水利水电工程地质勘察规范GB50487-2008，岩体风化带划分。,新鲜的石英砂岩（北京西山下苇甸）,强风化和全风化的花岗闪长岩体（北京西山下苇甸）,全风化的花岗闪长岩（北京西山下苇甸）,残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩遭受风化侵蚀后的产物，（而另一部分则被带走）。残积物与风化层通常很难截然划分开。残积物的特征(成分、厚度)，主要受气候条件（风化类型）、母岩类型和地形等因素影响。气候条件：湿热气候条件，化学风化强烈，有条件形成较厚的残积物（可达几十米）和风化带（可达几十米以上）。残积物以粘土矿物为主；干冷气候条件，物理风化为主，化学作用弱，风化带和残积层都薄，风化产物中粗颗粒为主:粗细不等-分选差棱角显著-无磨圆没有层次-无层理,母岩类型在强烈化学风化条件下，不同母岩的风化产物不同。例如，两种典型的风化残积物:南方石灰岩、白云岩、玄武岩及红层发育地区，形成残积红土和红粘土。南方花岗岩地区，形成残积砂砾质粘土。地形平缓的山坡上，剥蚀作用弱，风化产物易于保留，形成较厚的残积物。,残积物的工程地质性质：残积物的力学性质与其成分和含水量状态有关（以粘土质成分为主者）；残积物常常具有一定的结构性，因而其强度比同样孔隙比的其他沉积物要大。所以对残积物力学性质的评价使用原状土和扰动土会有很大的差别，应注意采用原位测试手段；另外，受岩体构造差异的影响，残积物空间均质性较差。,第三节冰川的地质作用现代冰川约占陆地面积的11%，主要分布在高纬地区和中低纬度的高山地区。,1冰川的类型大陆冰川：覆盖整个大陆或大岛的冰川，仅分布于高纬地区。面积大、冰层巨厚，可达三千米，地形对冰川的发育影响不大，冰川从中部向边缘呈辐射状流动。山岳冰川（山地冰川）：发生于高山雪线以上，由冰川主流和分支流构成。冰川流之间通常有山脊分隔。,大陆冰川,山岳冰川,阿尔卑斯山地冰川,喜马拉雅山地冰川,受重力作用，冰川沿斜坡流动。受不同因素（坡度、冰川厚度、温度、冰床光滑程度，等）影响，冰川移动速度在每年数十米到数百米。冰川在移动过程中刨蚀着其下伏岩体，形成各种特殊的冰川地貌。同时把剥蚀产物搬运到特定地段，形成冰川堆积物。,2冰川地貌冰斗、角峰、刃脊、U型谷、悬谷,冰斗：冰川侵蚀形成的簸萁状洼地，具三面陡壁。刃脊：冰斗扩大、山峰后退，相邻冰斗间形成陡峭山脊。角峰：刃脊交会的山峰。,阿拉斯加冰川,冰斗,角峰,U型谷：冰川流动过程刨蚀冰床形成的剖面为U形的谷地。悬谷：主冰川侵蚀深、支冰川侵蚀浅，在支冰川与主冰川交汇处，支冰川呈悬挂下坠的瀑布状。,U形谷，Alaska,在冰川U形谷基础上发育的深切V形河谷,悬谷,悬谷,YosemiteValley，USA,北极冰川,BlackRapidsGlacier，Alaska，1986.,阿拉斯加冰川,