工程地质学

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1、江西理工大学 应 用 科 学 学 院工程地质学工程地质学江西理工大学应用科学学院第2章主讲教师：李肖锋第2章 岩石的成因类型及其工程地质特征2.1 主要造岩矿物 2.2 岩 石2.3 地质年代及其特征v1 地球的形状和大小经卫星测定，地球是一个“梨状体”，其南极内凹、北极外凸。地球 的赤道半径R=6378. 4 Km，极半径R=6365.9Km；扁平率为1/297； 表面积为51108km2；体积为1.08 201012km3；质量约为 5.981021吨。从卫星上观察，地球是一个蓝色的球体。v2. 图2-1 卫星拍摄的地球照片。v3. 地球的内部构造（图2-2、图2-3） 地壳：地球的固体外

2、壳叫做地壳。厚薄不均匀，平均厚度33KM。 地幔：处于地壳和地核之间，也称为中间层或过渡层。根据化学 成分的不同分为 地幔上层和地幔下层。 地核：主要化学成分为铁、镍，所以又成为铁镍核心。地球的构造地球的形状古代人们曾根据直观的感觉，提出 “天圆地方”的假设。以后根据月食时地球 的阴影、远航船桅的自下而上消失、向北旅 行时北极星升高等自然现象逐步认识到地球 是一个球形天体，十六世纪初哥伦布、麦哲 伦绕地球航行成功，证实了这一看法。1687 年牛顿在自然哲学的数学原理中提出，在引 力和自转产生的离心力的联合作用下，地球 应该是一个微扁的球形。十九世纪通过重力 测量和弧度测量，得出地球是一个旋转椭

3、球 体的推论。近年来，利用人造地球卫星的精 确观测、计算，发现地球不仅子午圈是椭圆 ，赤道和纬度平行圈也都是椭圆，地球形状 实际上是一个扁率（即地球长短半径之差与 长半径之比）不大的近似三轴椭球体。其南 半球比理想椭球体表面略低，南极向内凹约 30m；北半球略向外凸，北极约外凸10m（图3 -1）；赤道面呈椭圆形，长轴指向东经160 、西经20，长、短轴差430m。南极北极图2-1 地球的卫星照片图2-2 地球的层圈结构示意图 图 2-3 地球的内部构造v地壳：地球的固体外壳叫做地壳。 厚度：大陆上厚的70多km，海洋里薄的仅10 多km，平均厚度在33km左右。 化学组成：组成地壳的化学成分

4、有100多种，其 中含量最多的是如表所列几种：硅铝主要分布在地壳上部，即为硅铝层，其厚 度不一，大陆上厚，海洋底薄，太平洋底大部缺失。 硅镁成分主要分布在地壳下部，即为硅镁层，其 中铁的成分有所增加，铝的成分有所减少。元素成分(%)元素成分(%)元素成分(%)O Si Al49.13 26.00 7.45Fe Ca Na4.20 3.45 2.40Mg K H2.35 2.35 1.00v地幔： 处于地壳和地核中间，也称中间层或过渡 层， 根据化学成分的不同分两层：地幔上层-化学成分主要是硅氧，其中铁 、镁、钙显著增加，硅铝的成分有所减少，也称 橄榄层。地幔下层-主要是金属氧化物和硫化物组 成

5、。v地核: 主要化学成分是铁、镍，所以又称铁镍核心2.1 主要造岩矿物2.1.1 矿物的基本概念2.1.2 矿物的物理性质2.1.3 常见的造岩矿物岩石是由一种或多种矿物在一定的地质条件下，自然组合而 成的矿物集合体，所以要认识岩石，并且对岩石的工程地质性 质进行评价，就必须先从矿物讲起。2.1.1 矿物的基本概念矿物: 存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然 元素和化合物，称为矿物。造岩矿物: 构成岩石的矿物，称为造岩矿物。结晶质: 组成矿物的元素质点（离子、原子或分子），在矿 物内部按一定的规律排列，形成稳定的结晶格子构造， 在生长过程中如条件适宜，能生成具有一定几何外形的 晶体。

6、次生矿物: 当外界条件改变到一定程度后，矿物原来的成分 、内部构造和性质就会发生变化，形成新的矿物称为次 生矿物。2.1.1 矿物的基本概念1.地壳中的化学元素除极少数呈单质存在外，绝大多 数都是以化合物的形态存在。2.造岩矿物绝大多数是结晶质。(图2-4，2-5）3.自然界的矿物，在各种地质过程中形成的同时，又 经受各种地质作用在不断的发生变化，只有在一定 的物理和化学条件下才是稳定的。图2-4 食盐的晶格构造图2-5 矿物晶体（a）食盐晶体（b) 石英晶体（c) 金刚石晶体1、导致地壳物质成份及地表形状、岩层结构、构 造发生变 化的一切自然作用都称为地质作用。2、这些作用有些进行得剧烈而又

7、迅速；但在更多的情况下， 则进行得非常缓慢。3、举例： 图2-6为广州附近七星岗海蚀地貌示意；图2-7为意大利那不勒斯湾古庙海蚀岩柱示意。它们是海陆变迁、地壳运动留下了有力的证据。4、按地质作用力的来源不同，可将地质作用划分为内力地质作 用和外力地质作用。地质作用图2-6广州附近七星岗海蚀阶地示意 图2-7 意大利那不勒斯湾古庙海蚀岩柱示意 1、内力地质作用由地球的旋转能和地球中的放射性物质在其衰减过程中释放出 的热能所引起的地质作用称为内力地质作用。大多数的地震以及 岩浆活动、地壳运动和变质作用等都属内力地质作用现象。 2、外力地质作用由太阳的辐射能和地球的重力位能（包括其它星体的引力作用

8、）所引起的地质作用称为外力地质作用。常见的外力作用现象有 气温的变化、雨、雪、风、地面汇流、河流、湖泊、海洋作用、 生物作用以及重力作用等等。 3、地质循环如果我们对前述各内力地质作用及外力地质作用现象进行归类 可将其划分为：风化剥蚀、搬运沉积、变质作用以及构造运动四 种类型。这四种类型的地质作用在地壳上构成了一个巧妙的循环 过程：v图2-8地质循环示意图v风化剥蚀使暴露于地壳表面的岩石破碎剥落，破碎剥落的岩石碎屑 物质被一定的外力地质作用搬运后在一定的地质环境中沉积下来，当 这些沉积下来的岩石碎屑物质埋入地下一定深处，就会在高温高压作 用下变质成岩，变质成岩的岩体在构造运动作用下一旦暴露于地

9、壳表 面又会重新被风化剥蚀，进入下一个循环过程，我们称其为地质循环 。图2-8 地质循环示意图4、地质作用分类外力作用风化作用物理风化作用 化学风化作用 生物风化作用机械剥蚀作用 化学剥蚀作用大陆沉积作用 海洋沉积作用机械沉积作用 化学沉积作用 生物沉积作用剥蚀作用沉积作用成岩作用内力作用构造运动水平运动 升降运动喷出作用 (火山作用) 侵入作用岩浆活动变质作用地 震2.1.2矿物的物理力学性质矿物的物理力学性质，决定于矿物的化学 成分和内部构造。由于不同矿物的化学成分或内 部构造不同，因而反映出不同的物理力学性质。 所以，矿物的物理力学性质，是鉴别矿物的重要 依据。（一） 光学性质1颜色 矿

10、物的颜色，是矿物对可见光波的吸收作用 产生的。按成色原因，有自色、他色、假色之分 。自色：是矿物固有的颜色，颜色比较固 定。 一般来说，含铁，锰多的矿物，如黑云 母、普通角闪石、普通辉石等，颜色较深；含硅 、铝、钙等成分多的矿物，如石英、长石、方解 石等，颜色较浅。 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。他色不固定， 对鉴定矿物没有很大意义。假色：是由于矿物内部的裂隙或表面 的氧化薄膜对光的折射、散射所引起的。如 方解石解理面上常出现的虹彩；斑铜矿表面 常出现斑驳的蓝色和紫色。2光泽 矿物表面呈现的光亮程度，称为光泽。它是矿物表面 的反射率的表现。 按其反射强弱程度，分金

11、属光泽 、半金 属光泽和非金属光泽。 造岩矿物绝大部分属于非金属光泽 。玻璃光泽：反光如镜，如长石、方解石解理面上呈现 的光泽。 珍珠光泽：象珍珠一样的光泽，如云母等。 丝绢光泽：纤维状或细鳞片状矿物，形成丝绢般的光 泽，如纤维石膏和绢云母等。 油脂光泽：矿物表面不平，致使光线散射，如石英断 口上呈现的光泽。 蜡状光泽：石蜡表面呈现的光泽，如蛇纹石、滑石等 致密块体矿物表面的光泽。 土状光泽：矿物表面暗淡如土，如高岭石等松细粒块 体矿物表面所呈现的光泽。3条痕 矿物在无釉瓷板上摩擦时所留下的粉末痕迹 ，它是指矿物粉末的颜色。对不透明矿物的鉴定 很重要。（二）力学性质1硬度 矿物抵抗外力刻划、研

12、磨的能力，称为硬度。硬度 是矿物的一个重要鉴定特征。 在鉴别矿物的硬度时，是 用两种矿物对刻的方法来确定矿物的相对硬度。 摩氏硬度计：是硬度对比的标准，从软到硬依次由下列10种矿物 组成，称为摩氏硬度计。 （1）滑石（2）石膏（3）方解石（4）萤石 （5）磷灰 石（6）正长石（7）石英（8）黄玉（9）刚玉（10）金刚 石2 解理、断口 矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平 面的性质，称为解理 。裂开的光滑平面称为解 理面。不具方向性的不规则破裂面，称为断口。 不同的晶质矿物，由于其内部构造不同，在 受力作用后开裂的难易程度、解理数目以及解理 面的完全程度也有差别。 根据解理出现方向的数目，有

13、一个方向的解 理，如云母等； 有两个方向的解理，如长石等 ； 有三个方向的解理，如方解石等。 据解理的完全程度，可将解理分为以下几种 ： 极完全解理极：易裂开成薄片，解理面大而 完整，平滑光亮，如云母。 完全解理：沿解理方向开裂成小块，解理面 平整光亮，如方解石。 中等解理：既有解理面，又有断口，如正长 石。 不完全解理：常出现断口，解理面很难出现 ，如磷灰石。 矿物解理的完全程度和断口是互相消长的， 解理完全时则不显断口。（三）形态特征由于矿物的化学成分、内部排列构造不同， 其外形特征也不同。 1单体矿物形态： 单向延长类型：晶体向一个方向发育，形成 柱状、针状、纤维状。如纤维状石膏、角闪石

14、等 ；双向延长类型：晶体向两个方向发育，形成 板状、片状。如板状石膏、云母、重晶石等；三向延长类型：晶体向三个方向发育，形成 立方体、八面体等。如黄铁矿、橄榄石。2 集合体的形态： 晶簇：在岩石空洞或裂隙中以共同的基底生 长许多单晶。如石英晶簇、方解石晶簇； 纤维状：由许多针状矿物或柱状矿物平行排 列。如纤维石膏； 粒状：大小略等，不具一定规律，聚合而成 的形状。 鲕状：胶体围绕一个质点凝聚而成一个结核 ，形似鱼卵。如鲕状赤铁矿； 钟乳状：石钟乳、石笋等； 土状：细小颗粒聚集体的形状。如高龄土； 块状：无特征；如蛋白石等。（四）其他性质如滑石的滑腻感，方解石遇盐酸起泡等， 都可作为鉴别这种矿物

15、的特征。2.1.3 常见的主要造岩矿物1、目前发现的地壳中的造岩矿物多达3千余种，以硅酸盐类 矿物为最多，约占矿物总量的90%，其中最常见的矿物约 有50余种，橄榄石，绿泥石，滑石，高岭石，石英，方解 石，白云石，石膏，黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿等 等。（参考教材P.9表2-2）v矿物的鉴定方法： 1. 主要是运用矿物的形态以及矿物的物理性质等特征来 鉴定的。一般可以先从形态着手、然后再进行光学性质、力 学性质及其他性质的鉴别。 2. 对矿物的物理性质进行测定时，应找矿物的新鲜面 ，这样试验的结果才会正确，因风化面上的物理性质已改变 了原来矿物的性质，不能反映真实情况。 3.在使用矿物硬度

16、计鉴定矿物硬度时，可以先用小刀（ 其硬度在5度左右），如果矿物的硬度大于小刀，这时再用硬 度大于小刀的标准硬度矿物来刻划被测定的矿物，以便能较 快的进行。 4. 在自然界中也有许多矿物，它们之间在形态、颜色 、光泽等方面有相同之处，但一种矿物确具有它自己的特点 ，鉴别时应利用这个特点，即可较正确地鉴别矿物。2.2 岩 石1、18世纪后期，德国的维尔纳（17621817年）第一个 使地质学形成一门系统科学。但他把一切岩石都解释为 沉积所成，把花岗岩解释为原始海水中融有过量矿物质 时的沉淀产物，故被称为水成论者。2、同一时期的另一位地质学家苏格兰人霍屯指出了岩脉 贯穿沉积岩的现象及侵入岩的接触和烘烤作用，推翻了 水成派的一些错误观点，被称为火成论者。霍屯还第一 个指明了变质岩的正确成因。3、自然界的岩石，按照成因可以分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩2.2.1 岩浆岩v概述v岩浆岩的产状v岩浆岩的矿物成分v岩浆岩的结构、构造v常见的岩