工程地质课件第 1 章地壳及物质组成

上节回顾,工程地质学的定义工程地质学在土木工程的作用工程地质学的任务工程地质学的研究方法工程地质条件和问题,第1章地壳及物质组成,地球具有层圈构造，地壳是固体地球最外部的层圈。塑造地壳面貌的自然作用称地质作用。元素、矿物、岩石是组成地壳的基本单位。火成岩是岩浆作用的产物，沉积岩是外力地质作用的产物，变质岩是变质作用的产物。它们都有各不相同的矿物成分、结构构造特性和代表性岩石。,第1章地壳及物质组成,1.1地球的总体特征1.2矿物1.3岩浆岩1.4沉积岩1.5变质岩1.6岩石的工程地质性质,1.1地球的总体特征,地球赤道半径两极半径地球表面参差起伏,大约70%海域,30%陆地,地球的层圈构造,外部层圈（大气圈，水圈，生物圈）固体地球内部层圈(地壳，地幔，地核),2.1地壳是固体地球的外部层圈,地壳：密度2.72.9g/cm3岩石组成大陆地壳（陆壳）厚度大，35km大洋地壳（洋壳）厚度小，78km,地球的层圈构造,地幔：密度3.324.64g/cm3由含铁、镁的硅酸盐物质组成，分布在地壳以下到2900km深处,地核：密度1116g/cm3由Fe、Ni组成，由液态外核，固态内核组成，分布在地幔以下直到地心,地球,地球内部弹性波速度分布,1.1地球的总体特征,软流圈(地幔顶部)塑性流动,地球的层圈构造,岩石圈（软流圈上部）板块板块运动,陆壳,洋壳,1.1地球的总体特征,地球46亿年历史，其面貌在逐渐变化地质作用塑造地壳面貌的自然作用按地质灾害成因分：物理地质作用(自然地质作用)、工程地质作用(人为地质作用)物理地质作用按动力来源分：内力地质作用、外力地质作用,地质作用,1.1地球的总体特征,物理地质作用（自然地质作用）内力地质作用动力地球本身、地球内部,地质作用,构造运动岩浆作用变质作用地震,地质历史中和现代的秦岭造山作用,印度-欧亚板块的碰撞，青藏高原的隆起与第四纪以来的环境变迁,1.1地球的总体特征,物理地质作用（自然地质作用）外力地质作用太阳辐射引起，地壳表面,地质作用,风化作用剥蚀作用搬运作用沉积作用固结成岩作用沉积岩,1.1地球的总体特征,工程地质作用（人为地质作用）人类活动引起的地质效应例如:,地质作用,采矿开采石油天然气地下水兴建水利工程,1.2矿物,矿物天然产生的均匀固体各种地质作用的产物，是岩石的基本组成部分矿物具有一定的化学成分,绝大多数矿物具有确定的内部结构内部原子或离子在三维空间成周期性重复排列晶体主要造岩矿物在岩石中经常见到，明显影响岩石性质，对鉴定和区别岩石种类起重要作用的矿物（约20种）。,1.2矿物,绝大多数矿物是晶体，具有特定的晶体结构单个晶体的形态晶体习性：针状，柱状，粒状，板状，片状等（图2.3）（多个晶体）集合体的特征形态：粒状集合体、针状集合体、鳞片状集合体等。特殊形态：放射柱状、钟乳状、晶腺体（图2.4-2.6）,矿物的形态,一、矿物的形态及主要物理性质,（一）矿物的分类,结晶质矿物非结晶质矿物,玻璃质矿物胶体质矿物,结晶质矿物,架状结构（长石的结构）,链状结构（角闪石的结构）,结晶质矿物,层状结构（白云母的结构）,结晶质矿物,（二）矿物的形态,单体形态集合体形态,显晶集合体隐晶、胶态集合体,片状、鳞片状，如云母、绿泥石等。,单体形态,白云母可用作绝缘材料；黑云母可用作高温防护眼镜的镜片。,板状；,斜长石,石膏,柱状；,绿柱石,角闪石,立方体状；,黄铁矿,菱面体状；,方解石,白云石,菱形十二面体状。,针状,另外还有多面体状和针状等。,多面体状,柱状集合体,针状集合体金红石,显晶集合体,板状集合体,片状集合体赤铁矿,显晶集合体,板状集合体,片状集合体赤铁矿,显晶集合体,纤维状石膏,粒状,毛发状,显晶集合体,晶腺玛瑙,树枝状集合体自然金,放射状集合体金红石,晶簇石英,显晶集合体,豆状赤铁矿,肾状赤铁矿,鲕状赤铁矿,结核状,隐晶及胶态集合体,钟乳状,土状,葡萄状,隐晶及胶态集合体,鸡冠状，白铁矿独有,花瓣状石膏,束禾状，束沸石独有,隐晶及胶态集合体,1.2矿物,颜色和条痕,矿物的物理性质,颜色：矿物对光线吸收和反射的物理性能颜色：自色：（矿物的化学成分和晶体结构所组成的）矿物的本身的颜色他色：某些杂质引起的颜色石英,矿物的光学性质,颜色是矿物对光线吸收和反射的物理性能。条痕是指矿物粉末的颜色。光泽矿物表面对光的反射能力。透明度矿物透光能力的大小。,矿物的颜色,矿物的颜色,自色,他色,石英的异常色彩,石英的异常色彩,假色,条痕：矿物粉末的颜色。一般是把矿物在白色无釉瓷板上（条痕板）擦划来观察擦下来的粉末的颜色赤铁矿(樱红色)/黄铁矿（绿黑色）,各种条痕,条痕是指矿物粉末的颜色，条痕的颜色是唯一的。,光泽矿物表面对光的反射能力。,半金属光泽,金属光泽,金属光泽半金属光泽非金属光泽,非金属光泽,透明度矿物透光能力的大小。,玻璃光泽油脂光泽金刚光泽,透明至半透明半透明矿物不透明矿物,多数造岩矿物,金属光泽半金属光泽如黄铁矿、方铅矿等。,（四）矿物的力学性质,硬度矿物的硬度是指矿物抵抗外力刻划的能力。解理矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的性质断口完全不具有解理性的矿物，在锤击后沿任意方向发生不规则断裂，其断裂面称为断口。,摩氏硬度计,低碳钢小刀硬度5.255.50指甲硬度2.02.5玻璃片硬度5.506.50,矿物被敲打后，沿一定方向规则破裂的性质，叫做解理。根据矿物产生解理性能强弱程度的不同，一般将解理分为：,极完全解理完全解理中等解理不完全解理极不完全解理,矿物在外力作用下极易裂成薄片。解理面光滑、平整，很难发生断口。如云母等。,云母（一组解理）,极完全解理(eminentcleaving),在外力作用下，很易沿解理方向裂成平面（不成薄片）。解理面平滑，较难发生断口。如方解石、方铅矿、萤石等。,方解石（三组解理）,完全解理(perfectcleaving),在外力作用下，可以沿着解理方向裂成平面。解理面不太平滑，易出现断口。如白钨矿、普通辉石等。,中等解理(goodorfaircleaving),矿物在外力作用下，不容易裂出解理面。解理面不平整，容易成为断口。如磷灰石等。,不完全解理(imperfectcleaving),矿物受外力的作用后，极难出现解理面。在碎块上常为断口。如石英、石榴子石等。,极不完全解理(cleavageintraces),贝壳状断口,断口完全不具有解理性的矿物，在锤击后沿任意方向产生的不规则断裂面。,贝壳状断口,贝壳状断口参差状断口平坦状断口锯齿状断口土状断口,二、主要造岩矿物及其鉴定特征,有一些矿物具有特殊的性质，也是有用的鉴定标志，如：云母薄片弹性；方解石可溶性；滑石滑感；高岭石吸水性(粘舌)。鉴定时：,先观察颜色然后鉴定硬度最后观察解理、断口及其它特征,确定出矿物的名称,1.2矿物,密度,矿物的物理性质,变化幅度大分轻、中等、重三级。中等（2.5-4）,弹性、挠曲、延展性,弹性弯曲，恢复挠曲弯曲不能恢复延展性能锤击成薄片或拉长成细丝的特性,1.2矿物,常见矿物,自然界产生的矿物3000种主要造岩矿物（常见矿物）化学成分：,硅酸盐、氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐等,1.2矿物,常见矿物,黄铁矿、石英、赤铁矿、褐铁矿、方解石、白云石、石膏、橄榄石、辉石、角闪石、斜长石、正长石、白云母、黑云母、绿泥石、蛇纹石、石榴子石、滑石、高岭石、蒙脱石,图示,实验注意事项,鉴定矿物的方法很多，有差热分析法、光谱分析法和显微镜鉴别法等，而在野外一般采用肉眼鉴定法，是其他鉴定方法的基础肉眼鉴定是借助肉眼和简单工具(放大镜、小刀、条痕板、磁铁、稀盐酸等)一般先从形态入手，再观察光学性质：颜色条痕光泽透明度等，然后观察力学性质：硬度解理或断口，最后是其他特殊性质。,光学性质,观察颜色以新鲜面为准，条痕比矿物颜色稳定，因此是肉眼鉴定矿物的主要标志，对深色矿物往往具有特别的鉴定意义。对于硬度大于67的矿物，不易在条痕板上留下条痕，可以不观察；对于必须观察条痕的，而又没有条痕板，可以用小刀刮或者用锤砸成粉末观察光泽也以新鲜面为主，注意应在同一光强下观察，而且要缓慢转动矿物，从不同角度察看。,力学性质,解理一般只在晶体矿物中才可能出现，但又不是所有晶体矿物都出现解理。断口在晶体矿物和非晶体矿物中均可能发生其他特殊力学性质：延展性、弹性、挠性,思考题：1.矿物主要的物理性质有哪些？2.最重要的造岩矿物有哪几种？其鉴定特点有哪些？,作业题,P38思考题下次课到地质标本室参观矿物标本，1班上半节，2班下半节,按照老师指定的描述。,1.3岩浆岩,岩石是地壳的基本组成物质，是内、外动力地质作用的产物。岩石是由矿物组成的按形成方式有火成岩（岩浆岩）、沉积岩和变质岩,地质作用岩浆作用、外力地质作用、变质作用,常见岩浆岩,1.3岩浆岩,一、岩浆岩的形成过程二、岩浆岩的地质特性三、岩浆岩分类及常见岩浆岩的鉴定特征,壮观的火山喷发,壮观的火山喷发,一、岩浆岩的形成过程,岩浆地壳下面存在着的处于高温高压下的，以硅酸盐为主的熔融状态的物质。岩浆岩岩浆沿着地壳薄弱带侵入地表或喷出地表，随着温度降低，最终冷凝而成的岩石。,基本概念,岩浆作用受地壳运动的影响，岩浆沿着地壳中薄弱、开裂的地带向地表方向运动的作用,侵入作用岩浆上升未达地表，在地壳中逐渐冷凝的作用喷出作用岩浆上升，冲出地表而冷凝的作用,岩浆岩的基本类型,侵入作用,侵入岩喷出岩,深成岩（3km）一般具有粗粒结构浅成岩（3km）一般具有中粒结构,一般为细粒结构、微晶结构或隐晶结构,喷出作用,岩浆岩的产状,是指岩浆岩的形态、大小及其与围岩的相互关系。,侵入岩的产状,侵入岩的产状,喷出岩的产状,火山颈火山喷发时，岩浆在火山口通道里冷凝形成的岩体。,剥蚀暴露的火山颈，由玄武岩柱组成（德国）,海南岛琼北火山,长白山天池火山口湖,岩钟（火山锥）,大同火山,五大莲池火山群,岩流（岩被）,基性火山喷发形成的地形为熔岩流和熔岩被。,熔岩流,熔岩流在地表四溢,岩石的结构指岩石中矿物的结晶程度、晶（颗）粒大小、晶（颗）粒形态及晶（颗）粒之间的相互关系。岩石的构造指岩石中矿物在空间的排列与充填方式所反映出来的岩石外貌特征。矿物成分,二、岩浆岩的地质特性,（一）岩浆岩的结构,1.按结晶程度可分为：,2.按矿物颗粒绝对大小，可分为：,伟晶结构，粒径10mm粗粒结构，粒径5mm；中粒结构，粒径25mm；细粒结构，粒径0.22mm；微粒结构，粒径0.2mm。,显晶质结构隐晶质结构,中粒结构(花岗岩)粒径25mm,粗粒结构（辉长岩）粒径5mm,细粒结构（闪长岩）粒径0.22mm,显晶质结构,伟晶结构(伟晶岩)粒径10mm,颗粒非常细小，肉眼下不可分辨，可以在显微镜下看到矿物晶粒，常有瓷状断面。,隐晶质结构,隐晶质结构（玄武岩）,等粒结构不等粒结构斑状及似斑状结构,3.按矿物颗粒的相对大小，可分为,（二）岩浆岩的构造,绳状构造,珍珠构造,枕状构造,岩浆岩的构造,（三）岩浆岩的矿物成分,最常见的是石英、正长石、斜长石、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等几种矿物。,三、岩浆岩分类及常见岩浆岩的鉴定特征,（一）岩浆岩分类根据岩浆岩的产状、结构、构造、矿物成分及其共生规律等特征进行分类。见下表。,岩浆岩分类表,暗色矿物种类及含量,结,构,构,造,产,状,成因类型,（二）常见岩浆岩的鉴定特征,思考题：1.岩浆岩常见的矿物成分、结构、构造是哪些？2.了解岩浆岩分类原则、熟悉常见岩浆岩的特点。,1.4沉积岩,沉积岩,沉积物固结变硬地壳总体积7.9%，分布最广，地壳表面积75%,一、概念,沉积物原岩经过风化作用，形成的各种松散破碎物质。,沉积岩是指在地表或接近地表的常温、常压条件下，由原岩经风化破碎、搬运、沉积和成岩等作用而形成的岩石。,沉积岩的形成过程,母岩的风化破碎作用沉积物的搬运作用沉积物的沉积作用沉积物的成岩作用,母岩的风化破碎作用,风化产物,碎屑物质粘土物质溶解物质,碎屑岩粘土岩化学岩和生物化学岩,沉积,沉积物的搬运作用和沉积作用,机械搬运碎屑物质和粘土物质化学搬运溶解物质生物搬运,悬浮跳跃滚动,风化产物的性质不同，它们的搬运、沉积方式也不同。按其搬运的方式可分为：,海边沉积的海滩砂,胶体溶液的浓缩电解质的加入等,搬运力逐渐减小时,沉积先后大小球状片状重轻,胶体物质凝聚和沉淀,沉积物的成岩作用,压固脱水作用胶结作用重新结晶作用新矿物的生成,胶结物,硅质铁质钙质碳质泥质,如方解石、燧石、白云石等,沉积岩的矿物成分,碎屑矿物：石英和粘土矿物，其次是长石和云母。化学矿物：碳酸盐矿物方解石、文石、白云石、菱铁矿,其次是石膏、硬石膏等,1.4.2沉积岩的地质特性,（一）沉积岩的结构,碎屑结构泥状结构化学结构生物化学结构,是指沉积岩组成成分的颗粒形态、大小和连结形式。,碎屑结构,是指一种由50%以上的碎屑组成的岩石的结构。,泥状结构,是粘土岩的特有结构，其特点是岩石中粘土物质占50%以上。,化学结构,石灰岩,是化学岩的特有结构，其特点是岩石中溶解物质占50%以上。,生物化学结构,生物化学岩的一种结构。具此结构的岩石，其内部所含的生物骨骼需达30%以上，常见于石灰岩、硅质岩和磷质岩中。,（二）沉积岩的构造,岩层：在地质特性上与相邻层不同的沉积层。,层的尖灭,层的尖灭与透镜体若岩层在横向延伸方向不大的范围内，一侧逐渐变薄而消失，称为层的尖灭；若两侧均尖灭时，则称为层的透镜体。,夹层夹在厚层中间的薄层称为夹层。,巨厚层1.0m厚层0.51.0m中厚层0.10.5m薄层0.001m0.1m微层0.001m,层面分隔不同性质岩层的分界面。可以是平面，但大多是曲面。,层的厚度上下层面之间的垂直距离为层的厚度。,层面,层理是指一个岩层中矿物或岩屑的颗粒大小、形状、成分和颜色不同的层交替时显示出来的纹理。,水平层理单斜层理交错层理波状层理,水平层理,单斜层理,波状层理,交错层理,顶面构造底面构造,层面构造在沉积岩岩层层面上往往保留有反映沉积岩形成时的流体运动，自然条件的变化所遗留下来的痕迹，称为层面构造。,顶面构造波痕,顶面构造泥裂,顶面构造泥裂,鸟足迹,虫痕,顶面构造,雨痕,顶面构造脚印,结核指包裹在沉积岩体中某些矿物集合体的团块。其成分、结构、颜色等一般与围岩不同。,磷质结核,化石指埋置在沉积岩中的各地质时期古生物的遗体和遗迹。是沉积岩独有的构造特征，是研究地史、生物进化的重要依据。,沉积岩的层理构造、层面特征以及含有化石是区别于岩浆岩的特征,（三）沉积岩的矿物成分,常见矿物：石英、长石、白云母特有矿物几乎无：橄榄石、辉石、角闪石和黑云母,盐类矿物碳酸盐矿物粘土矿物生物组分,四、沉积岩分类及常见沉积岩,根据沉积岩的成因、物质成分和结构等特征，可将沉积岩分为三大类：,碎屑岩类（碎屑胶结物杂质）粘土岩类化学岩及生物化学岩,角砾岩、砾岩砂岩,碎屑岩类,沉积岩的分类及常见的沉积岩,按成因分:碎屑岩和化学及生物化学岩4个亚类,（1）碎屑沉积岩砾岩砂岩粉砂岩粘土岩,沉积岩的分类及常见的沉积岩,（2）火山碎屑岩-火山喷发的碎屑凝灰岩（50火山弹),沉积岩的分类及常见的沉积岩,（3）非蒸发岩-沉积盆地中化学或生物化学作用的产物主要有石灰岩、白云岩和硅质岩等,（4）蒸发岩-是一种纯化学成因的岩石，由蒸发作用沉淀而生成主要包括岩盐、石膏、硬石膏,主要代表性沉积岩图示,砾岩、砂岩、粉砂岩、页岩石灰岩、白云岩,代表性岩石图示,砂岩地层形成的景观,常见碎屑岩,碎屑岩的胶结方式,粘土岩类主要是粘土矿物组成，粘土矿物颗粒直径常小于0.005mm，含量50%。,常见粘土岩,常见化学岩及生物化学岩,思考题：1.组成沉积岩的常见、特有矿物有哪些？结构、构造特征是什么？2.熟悉沉积岩的分类和常见代表性岩石。,1.5变质岩,一、变质岩的形成过程二、变质岩的地质特性三、变质岩分类及常见变质岩的鉴定特征,一、变质岩的形成过程,变质作用指原岩基本上在固态下，主要由于温度、压力及化学活动性流体的作用，而使其成分、结构、构造等发生变化的地质作用。,动画：三种岩石之间的转化,原岩变质岩岩浆岩正变质岩沉积岩副变质岩,由变质作用形成的岩石变质岩,变质作用,变质作用的影响因素,温度一般在150900压力上百GPa到上千GPa化学活泼性流体发生化学交替或分解作用，形成新矿物,静压力动压力,如：Al4Si4O10(OH)82Al2SiO4O+2SiO2+4H2O高岭石红柱石石英,温度的影响,静压力,静压力是各向同性的，作用结果是使岩石中的矿物变为密度大、体积小的新矿物。,动压力,动压力具有方向性，作用结果是使岩石中的片状、柱状矿物发生定向排列。,应该指出，在变质过程中，温度、压力、化学活泼性流体通常都是同时存在的，互相配合，相互制约的。而在不同的地质条件下，主导因素不同，在变质过程中体现出来的变质特征也不同，所形成的变质岩也是十分不同的。,变质作用的主要类型,接触变质作用交代变质作用动力变质作用区域变质作用,接触变质作用,发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泼性流体所,引起的变质作用。主要是使原岩结构特征发生改变。,交代变质作用,交代作用的特点：在固态条件下进行；交代前后岩石的总体积几乎不变；原矿物的溶解和新矿物的形成几乎同时进行。交代作用在变质作用过程中是比较普遍的。,KAlSi3O8+Na+NaAlSi3O8+K+钾长石钠长石,具有化学活动性的气态或液态溶液，对岩石进行交代而使岩石发生变质的一种作用。主要使原岩矿物和结构特征发生改变。,动力变质作用