水工地质1矿物岩石.ppt

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1、工程地质与水文地质Engineering Geology&Hydrogeology 40学时（土木工程专业）严宝文 水利与建筑工程学院 水资源与环境工程系,适用专业与学时安排 本课程适用专业：土木工程 计划学时：40学时 其中实验：4学时 课堂讲授：36学时 野外实习(综合）：1周 教材：（1）张忠学 工程地质与水文地质 中国水利水电出版社 2009,绪 论,*工程地质学：是以地壳物质组成和内部结构构造知识为基础，研究与工程规划、设计、施工及运用有关的地质问题的科学。,Definition of engineering geology:Engineering geology is about

2、applying all branches of the geosciences which mainly comprise of components and inner-structure of Crust to resolve problems of engineering projects,and in all of its stages,include planning,designing,building and operation.,绪 论,一、地质研究在工程建设中的作用,1.岩石性质与类型是各类工程建设最基本的条件,2.地质构造条件是工程选址，结构类型确定和地基处理方法确定的依

3、据,3.地质研究还为天然建材的获取提供依据,4.环境地质问题，是工程建设各阶段必须考虑的问题,绪 论,二、课程研究的主要内容,1.各类岩石的组份，结构构造及其工程地质水文地质 性质,2.地质构造现象，岩体及区域稳定性问题,3.各类工程建设过程中的相关地质现象及 其工程地质分析,4.工程地质与水文地质勘察方法及程序,绪 论,三、学科发展趋势,1.研究方法日趋量化,2.分化迅速,3.与环境科学日益结合,绪 论,四、课程学习方法,1.重视基本概念、基本理论的掌握,2.把握课程的总体脉络，建立工程相关地质学的系统线索,3.充分利用实践机会与环境，掌握地质学的应用体系。,1）注意与其它课程实习内容的融合

4、；2）重视实验、实习过程中基本手段、程序和规范（标准）的掌握。,五、课程结构,第一章 矿物与岩石Chapter One:Mineral and Rock,固体地球具有类似煮熟的鸡蛋一样的内部结构，最外层相当于蛋壳部分的主要由岩石及其风化产物构成的部分称为地壳，它是各类工程建筑的场所，也是地质学研究的主要对象。,第一节 概述,我们的家园-地球,太阳和他的子女们,辉煌的银河,*地球的形状和大小 形状：地球是一个非标准的旋转椭球体。大小：赤道半径a 6378.140km 两极半径b 6356.755km 平均半径R 6371.004km 扁率e=(a-b)/a l/298.253 表面积4R2 51

5、0,110,934km2,*地质作用地质作用：在内外地质营力作用下，地壳物质组成、内部结构、构造和地表形态发生变化的过程。按营力来源，地质作用可分为;1.内动力地质作用-地热能、重力能、地球旋转能 地壳运动+岩浆作用+变质作用+地震 2.外动力地质作用-太阳的辐射能，日、月引力能、生物能量 风化+剥蚀+搬运+沉积+硬结成岩,人类对这些层圈的探索由来已久（1906-1970）前苏联-科拉半岛18km超深钻 我国-江苏北部5km大陆壳计划等 但探索深度较之6370km的地球半径都是微不足道的，人类对地球内部结构的了解，还只有依据一些间接方法，其中主要是地震波方法获取。,一、地球内部结构,大气圈、水

6、圈、生物圈称为地球的三个外部层圈。在固体地球内部，也存在着三个连续的层圈(地壳、地幔、地核)。,地震波与地球内部结构,地表以下，平均厚度33km 洋壳-仅6km 陆壳-最厚处70余km,平均35Km 地壳的主要化学成份：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H等，物质组成-以矿物和岩石为主。,1.地壳（Crust)：,表 地壳主要元素的平均质量百分比,莫霍面以下至2900km的地球部分“软流层(stratum of plastic)”-地幔上部分约60-250km范围是一个塑性流动层。大陆漂移、板块运动都被认为是软流层以上的固态地球部分（称岩石圈=地壳+地幔浅层）“坐”在软流层物质

7、上发生运动的结 果。地幔主要化学成分是：O、Mg、Si、Fe、Ca、Al、Na、Ti、Cr、Mn 物质密度高出地壳一倍（5.6g/cm3）以上。,2.地幔(Mantle)：,软流圈物质循环运动图,热点,2900km处的波速不连续界面称为古登堡（美国地质学家）面，以下直至地心6370km处的地球部分。地核外层-液态 中间-固液混合态 内层-固态。化学成份-Fe、Ni比例极高 物质密度高达13g/cm3（近似汞）。,3.地核(Core)：,二、地壳岩石类型,地壳是地质学研究的主要对象，其物质成份主要包括矿物和岩石两大类（土壤及其母质是一种松散岩石）自然界矿物多达3300余种，岩石则从成因上可分为：

8、,1.岩浆岩(magmatic rock)：岩浆侵入地下浅层或直接喷出地表冷却形成的岩石。2.沉积岩(sedimentary rock)：松散沉积物在低洼盆地（多为水盆地）中堆积固结而成。3.变质岩(metamorphic rock)：各类已有岩石在保持整体固态情况下成份、结构构造发生变化而成。,岩浆岩,沉积岩,变质岩,沉积岩在最上层，其下是变质岩，岩浆岩呈不定形状穿插分布于上述两大类岩石的各种裂隙中。,沉积岩,岩浆岩,变质岩,三类岩石在空间分布位置上的顺序：,第二节 矿物,地壳中的三大类岩石尽管成因不同，但其基本的物质构成单元都是矿物。自然界有3300余种矿物，其中绝大多数是结晶（晶体）矿物

9、，即理想状态下可形成规则几何外形的矿物。,*矿物(mineral)：是由地质作用所形成的天然的单质或化合物。,一、矿物的化学成份特征,化学成分是决定矿物内部结构和外在性状的最根本原因。如绿柱石（Be3Al2Si6O18）颜色 翠绿含Cr6+的称祖母绿 天蓝含Cu2+的称海蓝宝石,两类矿物化学成份特征。1.类质同象与同质多象,MgCO3FeMgCO3MgFeCO3FeCO3菱镁矿 铁菱镁矿 镁菱铁矿 菱Fe矿,*类质同象 指化学成份相似的矿物，在其它特征（内部结构、外形）相近时，某些成份可以相互替代的现象。,如：C:石墨金刚石 CaCO3：文石方解石,金刚石,*同质多象 指同种化学成份在不同环境

10、条件下形成不同矿物的现象.,水在不少矿物中作用显著，既充当成份又决定矿物的许多性质,如,蛭石（V）蛭石（40V）,CuSO45H2O(胆矾、蓝色)CuSO4(白色)+5H2O,2.矿物中的水,胆矾,蛭石,吸附水：吸附于矿物晶体结构中，加热、振荡矿物中的水 可放出。非吸附水：参予矿物的晶体构成，失水后 矿物结构瓦解或完全破坏，分结 晶水、沸石水、层间水、结构水,无论是室内还是野外，特定化学成份的矿物都表现出特殊的物理特征，我们可以依据此特征对矿物加以识别。矿物的物理特征依据其属性可区分为形态特征，光学特征和力学特征。,二、矿物的物理识别特征,可从两方面区分：单体：一种矿物的一个完整晶体 集合体：

11、同种矿物的多个单体集合产出。,1矿物形态(crystal form),片、板状矿物：晶体仅沿两个坐标轴呈面状生长，如云母、片状石膏、石墨等。,针柱状矿物：晶体仅沿一个坐标轴生长，其余两轴受抑制，如石棉、绿柱石等。,粒状矿物：晶体沿三个坐标近似等速等量生长，如石英、FeS、石榴子石等。,(1)形态：依据矿物个体在三维坐标上 生长发育的程度分：,肉眼不可见单体（隐晶）集合体,束针状、纤维状、放射状、晶簇等。（鳞）片状集合体 粒状集合体,结核状、树枝状、网纹状、葡萄状、豆状、肾状、鲕状等。,（2）集合体形态,肉眼可见单体（显晶）集合体,晶簇,2矿物的光学特征 主要包括矿物的颜色、条痕和光泽三类。,蔷

12、薇辉石的蔷薇红色,赤铁矿的半金属光泽,矿物本色的形成机理主要是可变价离子核外d电子轨道电子跃迁释能的结果。常见呈色离子包括：Fe2+赤红色（赤铁矿、紫牙乌等）Ti3+绿色（钛金云母）Cr6+绿色（祖母绿、裴翠）Mn2+蔷薇红色（菱锰矿）,（1）颜色(Color)：是矿物对白光中不同光波吸收反射的结果。从成因上可分为 自色（本色）他色（杂质色）假色（物理干扰色）,（2）条痕(streak)：即矿物粉末的颜色，一般指不透明矿物在白色素瓷板上划擦后留下的条痕颜色。特点：突现自色，抑制他色，消除假色。,举例：赤铁矿（红色）镜铁矿（钢灰色）条痕一致为樱桃红色，显示化学成份一致。黄铁矿（粒状铜黄色）-条痕

13、黑色 可明确区分黄铜矿（粒状铜黄色）-条痕墨绿色,黄铁矿,黄铜矿,（3）光泽(luster)：矿物打光面反射和折射可见光的能力。,折射率从小到大，反射率从大到小可将光泽从强到弱区分为4个标准光泽级别：金属光泽（方铅矿、黄Fe矿）半金属光泽（磁铁矿）金刚光泽（闪锌矿）玻璃光泽（长石、石英）,金属光泽,玻璃光泽,特殊光泽，包括：丝绢光泽：透明半透时纤维状矿物，如石棉、石膏、角闪石。油脂光泽：透明矿物断裂面上，如石英、锡石等。珍珠光泽：透明矿物的极完全解理面上，如云母、蛭石。蜡状光泽：半透明矿物的非晶质形式，如蛇纹石、叶腊石等。土状光泽：即无光泽，如高岭石、褐铁矿等。,丝绢光泽,珍珠光泽,土状光泽,

14、3矿物的力学性质主要包括矿物的解理和硬度两大类特征。,云母的极完全解理,磷灰石硬度为5,依据解理面出现的难易程度（比例）可将解理分为五种类型：极完全解理：外力作用下极易剥裂出薄片，如云母、片状石膏等。完全解理：外力作用下形成的破裂面全部为光滑平整面，如方解石、萤石。中等解理：外力作用下形成的裂面仅有半数左右为光滑面，如辉石、角闪石。不完全解理：外力作用下形成的裂面仅有个别为光滑面，如磷灰石等。极不完全解理（断口）：所有裂面均呈现参差不齐状，如石英、锡石等。,1）*解理(Cleavage)：矿物晶体在外力作用下，严格按一定结晶方向破裂出光滑平整面的性质。,极完全解理,完全解理,中等解理,不完全解

15、理,极不完全解理（断口）,以刻划硬度（摩氏）最为常用。它是以十种矿物作为标准硬度级别。,2）*硬度(hardness)：指矿物抵抗外来机械力（压入、刻划、研磨）侵入的能力。,刚玉（硬度9）,矿物相对硬度,金刚石（硬度10）,5含氧盐矿物：依酸根类型又可分为碳酸盐亚类（方解石）、硫酸盐亚类（石膏）、硅酸盐亚类（占自然界矿物80%以上，如长石、云母等）其它如钨、铬、磷酸盐等等。,三、矿物的分类,按矿物化学成份的不同可分为五大类：,1自然元素矿物：即天然产生的单质矿物，如自然Au、Ag、Hg、Cu、S等。,2硫化物和复硫化物矿物：如FeS（黄铁矿）、As2S3（雄黄）等。,3卤化物矿物：如石盐NaC

16、l、萤石CaF2等。,4氧化物和氢氧化物矿物：如石英SiO2、锡石SnO、刚玉Al2O3。,第三节 岩浆岩,一、概述 1*岩浆(magma)：地壳下部存在的高温高压富含挥发份的RsiO4熔融体。,2*岩浆岩：岩浆将地壳薄弱带侵入地表附近或直接喷出地表冷凝而成的岩石。,侵入岩 喷出岩 Intrusive Igneous Rocks Extusive Igneous Rocks,0-5km 浅成侵入岩 5km 深成侵入岩,1化学成份通常以氧化物形式表示，含量居前十位的氧化物是：SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MgO CaO Na2O K2O MnO CO259%99%,二、岩浆岩的成份,

17、依据岩石中各种矿物的体积百分含量，岩浆岩矿物又可分为：（1）主要矿物（10%）暗色矿物：角闪石、辉石、黑云母等。浅色矿物：石英、长石、白云母等,2.矿物成份,岩石是一种或多种矿物的集合体，岩浆岩中常见矿物有石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石等，基本都属于RsiO4类。,（3）副矿物（1%）：有固定类型，如Fe3O4、屑石、斧石等，可标示形成条件主要包括温度、压力。,（2）次要矿物（1-10%）：可形成岩石间的细微差别，但无特殊不同于主要矿物的矿物。,指颗粒或成份在空间的排列方式structure,三、岩浆岩的结构构造,指颗粒自身的特点与相对关系texture,（一）结构,1据矿物结晶程度的

18、差异可分为4种类型：,（1）全晶质结构：所有矿物颗粒都结晶出来且肉眼可见，如花岗岩。,（2）半晶质结构：部分矿物颗粒结晶出来，其余为非晶质，如部分流纹岩。,（3）玻璃质结构：没有任何矿物结晶，全为玻璃状，有玻璃光泽，如火山玻璃。,（4）隐晶结构：特殊全晶质结构，颗粒全结晶但肉眼难辨，具瓷状光泽。,（2）不等粒结构：指岩石中同种矿物颗粒大小有明显二分性，又分为：斑状结构：即半晶质不等粒结构，如同面粉之中的黄豆。似班状结构：即全晶质不等粒结构，如同绿豆中的蚕豆。,2.据结晶颗粒的相对大小分,（1）等粒结构：所有矿物均结晶且大小均一，依结晶颗粒大小又分 粗粒等粒结构（d5mm）；中粒等粒结构（1-5

19、mm）细粒等粒结构（d1mm）,3流纹构造：岩浆边流动边结晶、凝固，保留下来的流动迹象称流纹构造，一般由矿物顺流向排列和气孔被压扁拉长所显示。,（二）构造,依各构成组份间的空间排列及充填方式，分为3种：1块状构造：矿物颗粒紧密结合且均匀分布，无聚群现象，是多数岩浆岩的构造形式。,2气孔和杏仁构造：一般仅见于喷出岩中，岩块中分布有圆形、椭圆形内壁大致光滑的孔洞称气孔，若气孔中充填了后期结晶物称为杏仁。,四、岩浆岩的产状(Attitude),产状是指岩石所处的空间状态。岩浆岩的产状指岩浆岩的空间分布形态，规模及其与周边岩石的接触关系等。,（1）岩基、岩株与岩枝 地面出露面积较大的岩体，结晶程度高，

20、岩性均一，强度大，是极好的大型、高层水工建筑地基。（2）岩床、岩盘和岩盆：层状、板状岩体夹于围岩中，产状与围岩保持一致。（3）岩墙、岩脉：岩体切穿围岩与围岩斜交的岩体（可造成地基岩体力学性质各向异性）。,1侵入岩的产状,侵入岩的产状,岩基,岩墙,岩脉,2喷出岩的产状,（1）火山口、火山锥：是火山喷发堆积或爆裂留下的痕迹。火山口常积水形成火山口湖，如天山天池等。,（2）熔岩流 熔岩被 熔岩台地（高原）,五、岩浆岩的分类及常见岩石,岩浆岩的类型是依据岩石成份中SiO2成份含量的高低分为：,高 低,玄武岩（斑状结构）,辉长岩,橄榄岩,金伯利岩,闪长岩,安山岩,花岗岩,流纹岩,在地表或近地表条件下，由

21、母岩（岩浆岩、沉积岩或变质岩）风化剥蚀的产物经搬运，沉积和硬结作用而形成的一类岩石。是三大岩中分布面积最广（陆地75%，海洋近100%）但质量最小（仅占地壳的5%）的一类岩石。,第四节 沉积岩,是沉积岩最显著的特征，由颜色、粒径、结构构造在垂向上的明显分带性表现出来。另外，沉积岩还是唯一含有大量化石的岩石，所有这些特征为后人提供了大量的地质历史信息，故它又被称为是“地质历史的书页”。同时，也导致其工程地质性质具有明显的两向异性。,成层性(stratification),包括三个连续过程：即风化（剥蚀），输移和硬结成岩作用过程。Weathering(eroding)Tansportation R

22、ock formation,一、沉积岩的形成过程,Formation of sedimentary rock:For thousands,even millions of years,little pieces of our earth have been eroded-broken down and worn away by wind and water.These little bits of our earth are washed downstream where they settle to the bottom of the rivers,lakes,and oceans.Laye

23、r after layer of eroded earth is deposited on top of each.These layers are pressed down more and more through time,until the bottom layers slowly turn into rock.,（1）碎屑物质：即机械破碎物，按其粒径可分为砾（d2mm），砂（2-0.05mm）和粉砂（）；（2）不溶残积物：即粒度小于粉砂，但不能以化学形式溶于水的物质，主要是粘土矿物；（3）可溶盐类：即分子、离子、原子类物质以化学形式溶于水中，主要包括卤化物（卤化钠）、硫酸盐（CaSO

24、4）和碳酸盐类(如CaCO3)。,1风化作用过程：是沉积物的制备过程。此时，母岩发生物理崩解和化学分解，形成三类产物。,（1）化学输移：可溶盐类的溶解输移方式；（2）机械输移：即动力携带，物质粒径不同，机械输移方式也不同。推（拖）移：d2mm，砾在河床面上滑动，翻滚前进；跃移：d=20.05mm砂，在水体中忽上忽下，弹跳前进；悬移：d0.05的物质，粉砂+粘土，在水体中长期、长途携带运动。,2输移作用过程：是风化产物从起动到最终停息的全过程，不同风化产物、输移方式也不同。,分选(sorting):在水动力条件变弱的地方（入海口、入湖口、山前）三种机械输移物会依次沉积下来，可形成“粒级层序”，可

25、用于确定沉积周期，恢复地层的原有层位关系。,3硬结成岩作用过程：指沉积物经层层累压、脱水、固结甚至结晶形成坚固沉积岩的过程。也是化石形成的时刻。,菊石与角石化石,二、沉积岩的物质构成,1碎屑(debris)：即以粒度为标尺，指矿物或岩石的机械破碎物，主要是一些耐风化的石英岩、硅质岩、花岗岩及石英、长石、云母等的颗粒，可分为砾、砂、粉砂三类成份。,2粘土物质(clay)：指粒径0.005mm的固体微粒，主要是粘土矿物类，如高岭石、蒙脱石类。,3化学沉积物(Chemical material)：指大量溶于水中后又因过饱和或加入电解质后结晶析出的沉积物，如CaCO3成份，SiO2成份、Fe(OH)2

26、成份等等（结晶或不结晶）。,4有机质及生物残体(Organic material)：由生物遗骸或其化学衍生物构成，包括泥炭、石油、生物化石（多为钙质、硅质替代）等。,1沉积岩的结构 指岩石中的物质组成，颗粒大小，形状或结晶程度。不仅决定岩石的力学性质，更反映了岩石的形成环境特点（分四种）。,三、沉积岩的结构、构造,（1）碎屑结构：碎屑+胶结物（钙、硅、铁、泥质），按碎屑类型又分为：砾状结构：d2mm的颗粒占体积百分比30%以上，称砾岩。砂状结构：d=20.05mm的颗粒占体积百分比50%以上，称砂岩。粉砂状结构：d=0.050.005mm的颗粒占体积百分比50%以上，称 粉砂岩。,（2）泥质结

27、构：又称粘土结构，成份以粘土为主，略带丝绢光 泽，如泥、页岩。,（3）结晶（化学）结构：由化学沉积物为主构成的岩石，如石 灰岩、白云岩等。,（4）生物结构：主要由生物遗体或遗迹化石构成的岩石，如生物 礁灰岩。,2沉积岩的构造,1）层理构造(bedding)：即由颗粒大小、颜色变化、成份组合形态等在垂直上的分带节律变化所显示的成层现象，可划分为：块状层理：即野外厚或巨厚的层埋，手标本上见不到层理形态显示。平行层理：各细小层间互相平行。斜层理：各细小层间互相斜交，细小层内水平延伸时未必等厚。又分交错层理和波状层理。,成层构造是沉积岩最显著的特征，可由剖面上的层理构造和平面上的层面构造来体现。,水平

28、层理（美国Ulta州）,层理,（2）层面构造：指保留在各细层表面的沉积作用的痕迹。波痕(ripple mark)：浅水条件下层面上保留的波浪纹路。泥裂(mud crack)：即保存下来的干裂或龟裂，呈浅水晒干条件下形成的泥质开裂“口上尖下”，可恢复构造。化石(fossil)：即埋藏于沉积岩中的动植物遗体，遗迹。,含三叶虫化石的石灰岩,沉积岩的波痕构造,1分类依据：依据沉积物的来源分大类，又依据物质成份，结构构造划分小类。,四、沉积岩的分类及常见岩石,2分类方案,原先存在的岩石（三大岩均可）在地下受到各种物理、化学因素的作用而在保持整体固态的前提下发生成份和结构构造的变化后新形成的一类岩石-变质

29、岩。,第五节 变质岩,比如：,CaCO3(石灰岩)CaCO3（大理岩，是方解石结晶）,SiO2（流体）+CaCO3（石灰岩）CaSiO3（硅灰石）+CO2,天坛,大理岩（石）,1变质作用因素有三类因素引起变质作用发生。（1）T、P作用：显然T、P越高，变质作用越容易发生，作用方式是：促使矿物重结晶；形成特殊的变质矿物（如石榴子石）；形成定向构造。,一、变质作用因素与变质作用类型,（2）化学活动性流体：指地下岩缝中的弱酸性汽水溶液，它一方面起媒介作用，促进物质运移交换；另一方面自身也参与变质反应，如,3MgCO3+4SiO2+H2O（热）Mg3SinO10（OH）2+3CO2(菱镁矿)（滑石）,

30、2.变质作用类型 从成因、作用方式、规模上可得变质作用分为4类：,各种类型的变质作用的分布位置,热接触变质作用示意图,2矿物成份贯通矿物：三大岩中都有的成份，如石英、长石、云母等。变质矿物：变质岩中特有的成份，如石榴子石、蓝闪石、蓝晶 石等。,二、变质岩成份,1化学成份：与原岩几近一致。,三、变质岩的结构构造,（1）变余结构：即变质程度浅，保留下了原岩的结构，如变余 斑状结构等。,（2）变晶结构：又依据新形成矿物（集合体）的形态分：粒状变晶结构 鳞片变晶结构 纤维变晶结构,1结构：从成因上分为三类,（3）碎裂结构：指岩石被挤压破碎后又胶结在一起，依据破碎 程度又划分为：碎裂结构（狭义）碎斑结构

31、 糜棱结构,碎裂岩,糜棱岩,（1）残余构造：即保留下来的原岩构造，如残余层理构造。（2）块状构造：即无明显物质定向性，聚集性的变质岩，如石英岩、大理岩等。,2构造 变质岩区别于其它两类岩石的最大特点就是具有定向构造，依变质岩的变质程度又可将其构造划分为：,板状构造：未结晶的成份被热压为坚硬片、板状，如板岩。千枚状构造：微结晶（如绢云母）成份被压热压成具有丝绢光泽的片板状。片状构造：结晶较好的片状矿物定向排列，肉眼可见矿物如片岩。片麻状构造：结晶明显的片状，粒状矿物相间排列，如片麻岩。,（3）定向构造：片理构造(schistosity)：依新矿物结晶程度 又分为：,板岩,片岩,片麻岩,千枚岩,混合岩,其它定向构造：如片麻状构造的变种条带状构造、千枚状构造的变种小皱纹构造，还有眼球状构造等。,岩石的循环(Rock cycle),