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1、土木工程地质讲义,第一编 动力地质作用与不良地质现象第一章 地壳与地质作用第二章 活断层与地震第三章 滑坡与泥石流第四章 岩溶第五章 渗透变形与地面沉降第六章 河流侵蚀与淤积第七章 地裂缝与采空区塌陷,（1）地球的形态与圈层结构（2）地球的内部圈层构造与内动力地质作用（3）地壳结构与地壳均衡学说（4）地球的外部圈层构造与外动力地质作用（5）内外地质作用对地壳的改变（6）地层年代（7）地质构造,地壳与地质作用,地球的外部形态地球形状是指大地水准面所圈闭的形状。地球形状为扁率不大的梨状椭球体。由于地球椭球体的扁率很小，故在一般计算时，常以地球为一圆球体，取其平均半径为6371km。（赤道半径637
2、8km）地球并不是一个均质体，而具有圈层结构。地球是由不同状态和不同物质组成的非均质圈层构造的椭球体。以地表为界分为内圈和外圈。它们又可再分为几个圈层，所以必须了解它们的整体特征，才能更深刻地理解动力地质作用的原理。,EXIT,地壳,地幔,地核,A,B,C,D,E,F,G,地震波在岩体中的传播受物质密度及固液状态的影响。对地震资料的研究发现，地球内部在两个深度有两个波速变化最明显的界面，反映出地球内部物质以这两个深度作为分界面，上下有显著的不同。第一个界面深度很不一致，在大陆区较深，最深可达60公里以上，在大洋区较浅，最浅不足不足5公里，这个界面是南斯拉夫地球物理学家莫霍罗维契奇于1909年发
3、现的，所以叫莫霍罗维契奇不整合面，简称莫霍面(moho)。第二个界面深度在地表下约2900公里处，是由美国地球物理学家古滕堡于1914年提出的，所以叫古滕堡不连续面简称古滕堡面。根据这两个分界面，目前把地球内部构造分为地壳、地幔和地核三个层圈地球内部。再根据次一级界面把地幔分为上地幔和下地幔，把地核分为外核、过渡带和内核，并分别给以代号A、B、C、D、E、F、G,地壳指地球外表的一层薄壳，平均厚度为33km，主要由固体岩石组成。,地幔是地球的莫霍面以下、古登堡面以上部分，其体积约占地球总体积的83，质量占1，是地球的主体部分，主要由固态物质组成。以984km处为界分上地幔和下地幔两个次级圈层，
4、上地幔的平均密度为35gm3，顶部Vp为80kms，与地壳有明显差别。通过对地幔中地震波传播特征的研究发现，在40250km处存在“低速带”，尤其是100150km深度处波速降低得最多。又据低速带内有些区域不传播横波，推断这些区域的温度已超过岩石熔点形成液态区。由于低速带距地表很近，这些液态区很可能是岩浆的发源地。鉴于低速带的塑性较大，它为上部固态岩石的活动动创造了有利的条件，故在构造地质学中称其为软流圈。而将软流圈以上的上地幔和地壳合称为岩石圈。,地幔下界至地心部分称为地核，它占地球总体积的16，占总质量的31.5。按地震波分布，分为外核、过渡层和内核三层。根据横波不能通过外核的事实，推断外
5、核是由液态物质组成的。分布于中间的过渡层，波速变化复杂，可能是由液态开始向固态物质转变的一个圈层。内核一般认为由以铁、镍等成分为主的固态物质组成。,地质作用分类：按照能源和作用部位的不同，地质作用分为内动力地质作用和外动力地质作用。内动力地质作用由内能引起整个岩石圈物质成分、内部构造、地表形态发生变化的作用称为内动力地质作用。包括构造运动、地震作用、岩浆作用和变质作用。,构造运动使岩石圈发生变形、变位以及使洋底增生和消亡的地质作用。地震作用由地震引起的岩石圈物质成分、结构和地表形态变化的地质作用。岩浆作用指岩浆的形成、演化直至冷凝成岩石的全部地质过程。按其作用部位分为侵人作用和喷出作用（火山作
6、用）。变质作用地表以下一定坏境中岩石在固态下发生结构、构造或物质成分的变化而形成新岩石的地质过程。按变质作用的因素和所处的部位分为接触变质作用、碎裂变质作风、区域变质作用和混合岩化作用。此外，尚有洋底变质作用,EXIT,思考题1,地壳是固体地球最外的一圈。地壳表面在陆地上直接暴露出来，有水体的地方特则是海洋区则被水圈覆盖。地壳的厚度变化很大，大洋地壳较薄，平均厚6公里，最厚约8公里。大陆地壳较厚，平均厚35公里，最厚处可达70公里（如青藏高原）。说明地壳下界是起伏不平的。整个地壳平均厚度约16公里，只有地球半径的1400，体积只有地球体积的0.8，质量为241024克，约占地球质量的0.4%。
7、地壳由上下两层组成，其间有一个次一级的界面叫康拉德面。这个界面并不到处都存在。上地壳叫硅铝层，主要成分是氧、硅、铝等轻元素，平均密度2.7克/厘米2，主要岩石为酸性的岩浆岩和变质岩，如花岗岩、片麻岩等，故也叫花岗质层。这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层，因此呈不连续分布。平均厚度约10公里。下地壳叫硅镁层，主要成分是氧、硅、铁和镁，主要岩石为基性岩，又称为玄武质层。,高山,高原,平原,浅海,200米,海平面,硅 铝 层（密度约2.7）,莫,霍,面,密度约3.5,大,洋,底,硅,镁,层,（密度约3.0）,高原和山岳地区下面密度较小的硅铝层较厚，它一方面向上隆起，具有较高的高度，另一方面又向下楔
8、入密度较大的硅镁层中，具有较大的深度。因此，地壳下面存在着一个均衡面，这个面不是水平而是起伏不平的，组成地壳的物质是不均一的。高原和山岳上部的质量剩余就被下部质量的不足所抵消，大洋中直接出露硅镁层，深部地幔也向上凸入地壳内，下部质量的剩余就足以补偿上部（水体部分）质量的不足，从而保持地区之间重力上的均衡。这就是地壳均衡现象。结果在一定的补偿基面以上，沿铅垂方向的质量到处趋于一致。,地壳均衡学说示意图,地壳表层长期与大气和水接触，遭受各种外动力地质作用的改造，形成了一层沉积层。,EXIT,外部圈层 1大气圈 大气包围着固体地球，形成地球最外一个层圈，称为大气圈(atmosphere)。大气圈是环
9、绕地球的空气层，大气圈按物理性质自下而上分为四层：对流层、平流层、电离层、扩散层。2水圈 地球表面上的海洋面积占70.78，通常人们把地球表面的海洋、河流、湖泊及地下水等看成是包围地球表面的闭合圈。在自然界水分的循环过程中，大陆降水量只占总降水量的20.6，然而这一水量却是改变地貌的强大动力因素。河流、冰川、地下水等水体在其流动过程中，不断改造地表，塑造出各种地表形态。同时水圈对生命的生存、演化提供了必不可少的条件，因此水圈是外动力地质作用的主要动力来源。3生物圈 地球表面凡是有生命活动的范围称为生物圈。生物在其生命活动过程中，通过光合作用、新陈代谢等方式，形成一系列生物地质作用，从而改变地壳
10、表层的物质成分和结构。生物活动成为改造大自然的一个积极因素，同时生物的繁殖活动和生物遗体的堆积，为形成有用矿产提供物质基础,外动力地质作用：主要由外能引起地表形态和物质成分变化的地质作用称为外动力地质作用。,风化作用在地表或近地表条件下，岩石、矿物在原地发生物理破坏的作用，并把破碎分解了的产物搬离原地。按动力来源分为风的吹蚀作用、流水的侵蚀作用、地下水的潜蚀作用、冰川的刨蚀作用和海水湖水的冲蚀作用等。搬运作用风化剥蚀后的产物被迁移到它处的作用。由于介质和环境的不同分为风的搬运作用、流水的搬运作用、地下水的搬运作用、冰川的搬运作用和海水、湖水的搬运作用等。沉积作用当搬运介质的动能减少、搬运介质的
11、物理化学条件发生变化或者在生物的作用下，被搬运的物质在新的环境下堆积起来的作用。按沉积方式分为机械沉积作用、化学沉积作用和生物沉积作用。由于动力性质和环境的不同，又可分为风的沉积作用、地面流水的沉积作用、地下水的沉积作用、冰川的沉积作用和海、湖水的沉积作用。负荷地质作用松散堆积物、岩块等由于自身的重量并在其它动力地质作用触发下产坐位移和变化的作用。按其运动方式可分为崩落作用、潜移作用、滑动作用和流动作用。硬结成岩作用使松散堆积物转变成沉积岩的过程，按方式的不同分为胶结作用、压实作用和结晶作用。,EXIT,思考题2,地质作用,内动力地质作用,外动力地质作用,内动力地质作用,外动力地质作用,构造运
12、动,水平运动,升降运动,地震作用,震前,震后,岩浆作用,喷出作用（火山作用）,侵入作用,变质作用,接触变质作用,碎裂变质作用,区域变质作用,混合岩化作用,风化作用,剥蚀作用,搬运作用,沉积作用,负荷地质作用,硬结成岩作用,物理风化作用化学风化作用生物风化作用,风的吹蚀作用地下水潜蚀作用湖水、海水冲蚀作用冰川刨蚀作用,风的搬运作用地面流水搬运作用地下水搬运作用湖水、海水搬运作用冰川搬运作用,风的机械沉积作用地面流水的机械沉积作用地下水机械、化学沉积作用湖水、海水的机械、化学、生物沉积作用冰川机械沉积作用,崩落作用潜移作用滑动作用流动作用,胶结作用压实作用结晶作用,内动力地质作用对地壳的改造表现为
13、内动力地质作用引起地表地形的变化。内动力对于地表地形的形成与改造作用远比外动力巨大，而且是决定性的。地表地形的总轮廓是内动力地质作用的结果。因为内动力在促使地壳深部物质运动的同时，必轮波及地表，并在地表地形上反映出来。地壳表面大的地形单元大陆和海洋、高山和平原等都是不同性质、不同强度的构造运动对不同地壳结构和在不同演变历史阶段的反映。地球表面的地势起伏在地质历史上经历了复杂的演变，现代的地形轮廓只是新生化以来地质历史时期内、外动力地质作用的反映。由此可见，内动力地质作用时控制地表各种主要地形以及促使地形发生演变得主要因素。,外动力地质作用引起地壳的变化。各种外动力地质作用以自己独特的方式刻蚀着
14、地表，塑造出各式各样的地貌。同时把剥蚀下来的物质搬运到名处堆积成各种地貌，这些物质经过成岩作用转变为坚硬的沉积岩。各种外动力又改造它们。,内、外动力地质作用的相互关系，自地壳形成以来，在时间和空间两个方面内动力和外动力地质作用都是一个连续的作用过程。虽然它们此起彼伏，时强时弱。有时这种作用占主导，有时另一种作用占主导，但始终是连续不断地进行着。其共同作用可以从地壳上升与剥蚀作用、地壳下降与沉积作用、地壳长期稳定与准平原的形成、沉积岩、岩浆岩和变质岩的相互转化等方面表现出来。,小结外力地质作用，一方面通过风化和剥蚀作用不断地破坏出露地面的岩石；另一方面又把高处剥蚀下来的风化产物通过流水等介质搬运
15、到低洼的地方沉积下来重新形成新的岩石。外力作用总的趋势是切削地壳表面隆起的部分，填平地壳表面低洼的部分，不断使地壳的面貌发生变化。内力作用总的趋势是形成地壳表层的基本构造形态和地壳表面大型的高低起伏，而外力作用则是破坏内力作用形成的地形或产物。总的趋势是削高补低，形成新的沉积物，并进一步塑造了地表形态。内、外力地质作用在漫长地质年代里是使地壳发生不断演变的强大动力因素，研究各种地质作用的运动规律是地质学的主要任务之一。,EXIT,思考题3,相对年代及其确定：把各个地质历史时期形成的岩石，结合埋藏在岩石中能反映生物演化程序的化石和地质构造，按先后顺序确定下来，展示岩石的新老关系，这就是相对年代。
16、地质时代单位和地层单位：根据地层相对年龄，对全世界地层进行对比研究，综合考虑地层形成顺序、生物演化阶段、构造运动及古地理特征等因素，把地质历史时期分为两大阶段，由老到新命名为隐生宙、显生宙。宙以下分为代，隐生宙分为太古代和元古代，显生宙分为古生代、中生代和新生代。代以下分为纪，如中生代分为三叠纪、供罗纪、白垩纪。纪以下分为世。每个时代单位有相应的地层单位，分别为：宇、界、系、统。此外，由于化石稀少或化石采集研究不够，不能定出正式地层单位，只好按照岩性特征划分地层单位，按照级别大小分别称为群、组、段。同位素年龄及其测定：自然界中某些物质的蜕变现象被发现以后，地质学家们就利用放射性同位素的蜕变规律
17、来计算矿物或岩石的年龄，称为同位素年龄或绝对年龄。,地质年代表：通过对全球各个地区地层剖面的划分与对比，以及对各种岩石进行同位素年龄测定所积累的资料，综合成地质年代表。,EXIT,地质构造,组成地壳的岩层或岩体受力而发生的变位、变形留下的形迹称为地质构造。地质构造的基个类型有：水平构造、倾斜构造、褶皱构造和断裂构造。,岩层的产状是指岩层在空间的位置。用走向、倾向和倾角来确定岩层的空间位置。这三者称为岩层的产状要素。,原始沉积物特别是海洋中的沉积物大多是水平或近于水平的层状堆积物，按沉积顺序先后，先沉积的在下面，后沉积的覆盖在上面，一层层叠置起来，经过压实胶结成坚硬的层状岩石，称为岩层。每个岩层
18、具有相互平行的两个层面顶面和底面。,走向岩层的层面与水平面相交线的延伸方向叫走向，其交线叫 走向线。走向表示岩层在空间的水平延伸方向。倾向岩层向下倾斜的最大倾斜线在水平面上的投影所指的方向，它与走向正交。倾角岩层层面与水平面之间所夹的平面角，即最大倾斜线与其 在水平面上投影之间所夹的角。,思考题4,思考题5,水平构造倾斜构造褶皱构造 断裂构造,走向,倾向,倾角,水平构造：岩层产状近于水平的构造称为水平构造。绝对水平的岩层是没有。水平构造出现在构造运动影响校轻微的地区或大范围内均匀上升或下降的地区，岩层未发生明显的变形。其特点是不同地点在同一高程上，出现的是同一岩层。倾斜构造：岩层层面与水平面之
19、间有一定夹角时称为倾斜构造。倾斜构造常常是褶曲的一翼或断层的一盘；也可以是大区域内的不均匀抬升或下降所形成的。具有倾斜构造的岩层，不同地区在同一高程上出现不同时代的岩层，这与水平构造有区别。岩层形成以后，经受构造运动产生变位、变形，改变了原始沉积时的状态，但仍然保持顶面在上，底面在下，层序是下老上新，称为正常层序。倘若岩层受到强烈变位，使岩层倾角近于900时,称直立岩层。当岩层顶面在下，底面在上时，岩层发生了倒转，称为倒转层序。,正常层序与倒转层序,EXIT,褶皱构造：褶皱是岩层受力产生一系列连续的弯曲。岩层的连续完整性没有遭到破坏，是岩层塑性变形的表现。褶皱的基本类型有两种：背斜和向斜。,背
20、斜是岩层向上弯曲，形成中心部分为较老岩层，两侧岩层依次变新。向斜是岩层向下弯曲，中心部分是较新岩层，两侧部分依次变老。如岩层未被剥蚀，刚背斜成山，向斜成谷，地表仅见到时代最新的地层。遭受风化剥蚀后，背斜山被削低，整个地形往往变得比较平坦。甚至向斜成山背斜成谷。,思考题6,褶皱的主要类型：按轴面的产状可分为：直立褶皱轴面直立，两翼岩层倾向相反，倾角大致相等。倾斜褶皱轴面倾斜，两翼岩层倾向相反，倾角不等。倒转褶皱轴面倾斜，两翼岩层倾向相同，一翼岩层正 常，另一翼岩层倒转。平卧褶皱轴面近于水平，两翼岩层产状近于水平，一翼 岩层正常，另一翼岩层倒转。按枢纽的产状可分为：水平褶皱枢纽水平。褶皱经风化剥蚀
21、后，两翼岩层的露 头线平行延伸。倾覆褶皱枢纽倾斜。褶皱经风化剥蚀后，两翼岩层的露 头线不平行延伸，或成“之”字形分布。,组成褶皱各个部分的单元叫褶皱要素。核：褶皱的中心部分。这里指褶皱岩层受风化剥蚀后，出露在地面上的中心部分。翼：褶皱核部两侧对称出露的岩层。轴面：指平分褶皱的一个假想面。这个面可以是平面，也可以是是一个曲面。枢纽：指轴面与岩层面的交线，枢纽司以是倾斜的、水平的、直立的或呈波状起伏的。,思考题7,思考题8,各种褶皱,平卧褶皱,翼,轴面,倾斜褶皱,直立褶皱,倒转褶皱,轴面,轴面,枢纽,枢纽,枢纽,褶皱的枢纽水平或倾斜时,岩层风化剥蚀后的延伸状况,EXIT,断裂构造：岩层受构造运动作
22、用，当所受的构造应力超过岩石强度时，岩石的连续完整性遭到破坏产生断裂，称为断裂构造。节理岩层、岩体中的一种破裂，破裂面两侧的岩块没有发生显著的位移。断层岩层或岩体受力破裂后，破裂面两侧岩块发生了显著位移，这种断裂构造叫断层。断层主要由构造运动产生，也可以由外动力地质作用（如滑坡、崩塌、岩溶塌陷、冰川等）产生。外动力地质作用产生的断层一般规模较小。断层要素：一条断层由几个单元组成，称为断层要素。我们通常根据各要素的不同特征来描述和研究断层。断层面指断裂两侧的岩块沿之滑动的破裂面。断盘指断层面两侧的岩块。断距断层面两侧岩块相对滑动的距离。,思考题9,思考题10,断层要素图,断盘,断层面,断距,断层
23、的主要类型：按断层两盘相对位移的方向分为正断层、逆断层和平移断层。正断层上盘相对下降、下盘相对上升的断层。逆断层上盘相对上升、下盘相对下降的断层。如果断层面非常平缓，规模十分巨大，又称为碾掩构造。平移断层（平错断层）两盘沿断层面走向方向相对错动的断层。断层组合类型：阶状断层两条或两条以上的倾向相同而又互相平行的正断层组合而成，其上盘依次下降呈阶梯状。地堑是由两条走向大致平行而性质相同的断层组合成一个中间断块下降、两边断决相对上升的构造。地垒由两条走向大致平行而性质相同的断层组合成一个中间断块上升两边断块相对下降的构造。,思考题11,思考题12,阶状断层,地堑,地垒,断层组合类型,正断层,逆断层,平移断层,水井被冒沙填平,
