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福州大学土木工程学院2005级土木工程专业土木工程地质教案（2006～2007学年2学期）授课教师邓涛岩土工程研究所绪论一、主要研究内容工程地质学（engineeringgeology）的基本概念：是介于地学与工程学之间的一门边缘交叉学科。它研究土木工程中的地质问题，也就是研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正确地使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质问题。工程地质学是为了解决地质条件与人类工程活动之间矛盾的一门实用性很强的学科。工程地质条件：由于地质因素对工程建筑的利用和改造有影响，因而把这些地质因素综合称为工程地质条件，建筑场地及其邻近地区的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、自然地质作用与现象等都是工程地质条件所包含的因素。工程地质条件与工程建设之间的矛盾问题：地质条件与人类工程活动之间矛盾1.地质环境对工程活动的制约作用。即地质条件以一定的作用方式影响工程建设。如：地震、软土地基、岩溶洞穴、滑坡、崩塌……2.人类的工程活动又反作用于地质环境。如：大量抽取地下水引起地面沉降、海水入侵；水库修建诱发地震；人工开挖引起边坡破坏；工程地质学是地质学的一个分支学科，应用地质学的理论和方法，调查研究和解决工程建设有关的地质问题的科学。研究目的是查明建设地区或建筑场地的工程地质条件，预测和评价可能发生的工程地质问题及对建筑物或地质环境的影响，提出防治措施，以保证工程建设的正常进行。工程地质问题解决的途径和方法：工程地质工作的三大支柱：(1)构造地质与岩体结构(2)工程地质力学(3)地质技术工程地质学的主要研究方法：(1)地质学方法(2)实验和测试方法(3)计算方法(4)模拟方法工程地质学的研究内容1、岩土体的分布规律及其工程地质性质研究2、不良地质作用(地质灾害)及其防治研究3、工程地质勘察技术研究4、区域工程地质研究二、工程地质学的作用及其发展第一阶段：第二次世界大战到60年代第二阶段：到60年代末第三阶段：80年代以来1.大力开展地质工程研究2.加强地质预报研究3.加强地质体的改造4.加强环境地质工作第1章矿物和岩石概述地壳（Crust）地球是一个实心的椭球体，两极稍扁平，赤道部分略向外突出，极半径（Polarradius）约为6365km，赤道半径（Eguatorialradius）约为6378km，平均半径（Averageradius）约为6371km。由于目前勘探手段的限制，我们只能通过地震波来研究地球内部的一些情况。根据地震波在地球内部各部位传播速度的变化，一般将地球内部分为三个基本圈层。地壳是地球表面很薄的一层硬壳，它的厚度从5公里到40公里不等。一般认为平均厚度为33km，人类工程活动都是在地壳表层进行的，一般都不超过1km。地壳与其下部分的交界面称为莫霍面（Moho）。地幔（Mantle）地壳向下是地幔部分，其厚度约为2885km。其与以下部分也存在一个不连续面，叫古登堡面（GutenbergDiscontinuily）。地核（Core）地幔以下的部分称之为地核。图1-1地球的内部圈层§1.1主要造岩矿物矿物:是天然生成的，具有一定物理性质和一定化学成分的物质。目前在自然界中已被发现的矿物多达3000余种。主要造岩矿物:在岩石中经常见到并明显影响岩石性质，对鉴定和区别岩石种类起重要作用的矿物（约20种）。一、矿物的形态及主要物理性质（一）形态通常，绝大多数矿物呈固态表现，只有个别矿物呈液态（如自然汞Hg）。不同的矿物常具有不同的形态和特征；同一种矿物在不同的地质条件下，在其自身晶体结构制约的范围内，又常出现不同的结晶习性。矿物的形态，包括矿物单体、集合体及连生体的形态，我们主要介绍单体和集合体形态。1．单体形态矿物单体的形态主要从矿物单体的结晶习性来认识。在相同的生长条件下，一定成分的同种矿物，总是有着它自己特定的结晶形态。矿物晶体的这种性质，就叫做该矿物的结晶习性。矿物晶体之所以具有结晶习性，主要是由它的结构和形成条件来决定的。由于矿物在形成过程中，所处的物理、化学条件变化幅度大，再加上相邻各晶体对空间的相互争夺，所以很难成为理想的结晶形态。固体矿物又可分为结晶质矿物和非结晶质矿物两大类。（1）结晶质矿物矿物内部质点呈有规律的周期性排列，形成空间结晶格子构造。而矿物本身形成基本固定的规则形态。（2）非晶质矿物矿物内部质点的排列没有规律性，因而不具有规则的几何外形。非晶质矿物又可分为：①玻璃质矿物由高温熔融状物质迅速冷却而成。如火山玻璃。②胶体质矿物由分散相和分散媒组成的不均匀分散系中胶体颗粒凝聚而成。如蛋白石。（3）结晶质矿物的单晶形态由于矿物在生长发育过程中，在生长速度、空间方向、生长条件的不同，其形态也不相同。①片状、鳞片状，如云母、绿泥石等。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。白云母绿泥石②板状，如斜长石、板状石膏等；斜长石板状石膏③柱状，如角闪石、绿柱石、辉石等；角闪石绿柱石辉石④立方体状，如岩盐、方铅矿、黄铁矿等；岩盐黄铁矿⑤菱面体状，如方解石、白云石等；方解石白云石⑥菱形十二面体状，如石榴子石、磁铁矿等。石榴子石磁铁矿（4）矿物的集合体形态自然界的矿物大多是以集合体的形式出现的，在研究矿物集合体形态时，对于晶体矿物来说，仍然以矿物的单体形态做基础；而对于胶体矿物来说，则以其特有的外貌为依据。①显晶集合体粒状；片状或鳞片状；柱状；针状；纤维状；枚射状。②隐晶及胶态集合体鲕状；豆状；结核状；肾状；葡萄状；钟乳状。此外，还有块状、土状。（二）矿物的主要物理性质1．光学性质（1）颜色颜色是矿物明显的特性，通常也是可靠的鉴别特征，在多种标本中有些矿物总是表现出同一颜色。当一种矿物显示出多种颜色时，我们把这种现象称为具有异常色彩。矿物中颜色的变化通常是由于矿物中掺杂了对矿物基本特征成分没有影响的少量的化学杂质造成的。当纯净矿物为浅色或无色时，颜色变种现象比较普遍。例如：石英矿物，纯净时无色，然而石英也确实存在着其它颜色，如粉色、金黄色、烟棕色、紫色和常见的乳白色。很明显，石英并不能总是依据它自身的颜色来鉴别。石英需要注意的是这里的颜色是指矿物新鲜面的颜色。根据矿物颜色产生的原因，可分为自色、他色和假色三种。①自色：矿物自身所固有的颜色。自色产生的原因，主要与矿物成分中某些色素离子的存在有关。如Fe3+使赤铁矿呈樱红色；Fe2+使普通角闪石、绿泥石呈暗绿色等。赤铁矿普通角闪石绿泥石②他色：矿物因含外来带色杂质（一般也与色素离子有关）而引起的颜色。如石英常由于带色的混入物而使之呈紫色、玫瑰色、烟灰色和黑色等。③假色：由某些物理化学因素引起的呈色现象，如黄铁矿表面因氧化薄膜引起的锖色（兰紫混杂的斑驳色彩）。（2）条痕条痕是指矿物粉末的颜色。一般是矿物在其它物体上摩擦后，留在此物体上的矿物粉末颜色。虽然一种矿物的颜色在不同的标本中多种多样，但条痕却不是，它只有一种颜色。因而成为更可靠的鉴别特征。条痕还可以帮助把金属光泽的矿物与非金属光泽的矿物区分开。金属矿物一般具有浓而暗的条痕，而非金属矿物并没有这一特征。大多数浅色矿物的条痕是无色或浅色的，某些深色矿物的条痕与颜色相同，这些矿物的条痕对鉴别矿物无用。只有矿物的条痕与其颜色不同的某些深色矿物才是有用的鉴别矿物的特征。例如：角闪石这黑绿色，条痕为淡绿色；辉石为黑色，条痕为浅绿色；黄铁矿为铜黄色，条痕为黑色等。（3）光泽矿物表面对光的反射能力称光泽。可根据反射光由强到弱次序为：金属光泽、半金属光泽、非金属光泽。其中非金属光泽又可分为：金刚光泽、玻璃光泽、油脂光泽、珍珠光泽、丝绢光泽、土状光泽。（4）透明度矿物透光能力的大小，称为矿物的透明度。分为三级：透明、半透明、不透明。例如：纯净的石英单晶体和纯净方解石组成的冰洲石（双折射现象）为透明矿物；多数造岩矿物为半透明矿物，如一般石英集合体、滑石等；金属矿物则为不透明矿物，如黄铁矿、方铅矿、磁铁矿等。冰洲石2．力学性质（1）硬度矿物的硬度是指矿物抵抗外力刻划的能力。测定硬度的绝对值需要特殊装置。一般应用相对硬度。以实际矿物为标准，这就是摩氏硬度计。摩氏硬度计中共有十种已知硬度的矿物，它们是：1°滑石；2°石膏；3°方解石；4°萤石；5°磷灰石；6°长石；7°石英；8°黄玉；9°刚玉；10°金刚石。滑石石膏方解石单晶萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石低碳钢小刀硬度5.25～5.50°指甲硬度2.0～2.5°玻璃片硬度5.50～6.50°（2）解理（劈开）矿物晶体受外力敲击时，能够沿一定方向裂开的性能称为矿物的解理性，开裂的平面称为解理面。根据矿物产生解理性能强弱程度的不同，一般将解理分为：①极完全解理晶体可裂成薄片，解理面大而平整、光滑，这种矿物不出现断口，如云母；②完全解理晶体常沿解理面裂成小块，解理面平整但不大，这种矿物不易出现断口，如方铅矿；③中等解理晶体上既有解理又有断口，解理面小而不光滑，如角闪石；④不完全解理晶体上常见断口，偶见解理，如橄榄石。解理是沿矿物软弱结合面裂开的趋向性。具有解理的矿物是由矿物裂开时产生平滑的面来认定的。最简单的解理实例莫过于云母。由于云母在一个方向上具有极完全解理，它们可裂成平滑而薄的薄片。有些矿物具有几个解理面，有些矿物表现为缺乏解理，而另一些矿物完全没有解理。当矿物裂开的方向超过一个时，可用解理面的数量和解理面之间的夹角来描述。解理不要与晶形混淆。一种矿物表现出解理时，可以裂成与其原样一致的碎块（片）。作为对比，无解理的石英，在其裂开时，不可能裂成与原晶体一样的形状。（3）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。根据断口形态可分为：①贝壳状断口，如石英；②参差状断口；③平坦状断口；④锯齿状断口；⑤土状断口。有些矿物如石英如上所述不表现解理性，且在开裂时常出现断口。那些裂成平滑而弯曲的面，类似于碎玻璃具有的贝壳状断口；另一些矿物裂成尖片状纤维，但大多数矿物的断口则是不规则的。二、主要造岩矿物及其鉴定特征参见教材P8。1．石英；2．正长石；3．斜长石；4．白云母；5．黑云母；6．普通角闪石；7．普通辉石；8．橄榄石；9．石榴子石；10．方解石；11．白云石；12．滑石；13．蛇纹石；14．绿泥石；15．硬石膏；16．石膏；17．黄铁矿；18．高岭石；Al4[Si4O10]·(OH)8，纯净者为白色，单斜或三斜晶系。一般呈土状块体产出，硬度近于1，断口平坦，比重为2.6左右，干燥时粘舌，用手易搓成粉末，潮湿时具有可塑性。19．蒙脱石；（又称微晶高岭石或胶岭石）(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2·nH2O，单斜晶系，水的含量变化大，通常呈土状块体产出，白色，有时带浅红、浅绿色。光泽暗淡，硬度1，比重2，吸水性强。吸水后其体积能膨胀增大几倍到十几倍。20．伊利石。K1Al2[(Al,Si)Si3O10](OH)2·nH2O，单斜晶系，常呈鳞片状块体产出，白色。水的含量变化大，并具有膨胀性和可塑性，有滑腻感。§1.2岩浆岩（又名火成岩）岩石:用通俗的话来讲，就是石头。它是在地壳中按一定规律，由一种或几种矿物共生组合在一起所形成的天然集合体。根据岩石的成因类型，地质学家对岩石进行了分类，包括以下几种：1．岩浆岩（火成岩）被称为岩浆的炽热液体，自地下深处上升，由于温度降低，结晶而成的固体状态。2．沉积岩由堆积和压密作用的结果而成。物质来源：(1)由于侵蚀作用，原岩被分解成的碎屑；(2)生物碎屑，如贝壳；(3)被地表水或地下水溶解的物质，后期在过饱和条件下沉淀。3．变质岩当温度上升或压力增大，或二者兼有时，由任何类型的原岩形成。一、岩浆岩的形成过程（一）岩浆和岩浆作用1.岩浆地壳下面存在着的处于高温高压下的，熔融状态的硅酸盐物质被称为岩浆。2.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。3.岩浆作用包括岩浆活动和冷凝的全部过程。(1)如果岩浆上升，但没有到达地表，而在地壳中逐渐冷凝，这个过程称为岩浆的侵入作用；(2)如果岩浆上升，沿构造裂隙溢出地