岩层及构造基础理论

岩层及构造基础理论一、岩石的分类岩石是自然形成的产物；岩石是由一种或几种矿物组成的固态集合体。岩石是由一种或多种矿物和胶结物、火山玻璃、生物遗骸等物质组成的。它们是在地壳中形成的，是机械作用、物理化学作用和生物作用等综合地质作用的产物，也是地壳和上地幔顶部的重要组成部分。岩石不包括人工合成的工艺岩石，比如陶瓷是由含高岭石的瓷土烧制而成的，不能称为岩石；浇注混凝土里面虽然有很多大小不等的石块，也只是建筑材料，而不是岩石。岩石是有一定形状的固态集合体，有的成层状、片状；有的成块状、球状、柱状，形状各异。换句话说，那些没有固结的的松散沉积物，如砾石、砂子、黏土、火山灰，海底沉积物等碎屑。由于它们没有固定的形态，更没有胶结形成坚硬的岩石，因此，他们不在岩石之列。还有石油，因为它是液体，也不能称为岩石。在绝大多数情况下，岩石都是由几种矿物组成的集合体。但是在个别情况下，也有由一种矿物组成的岩石，如石灰岩只是由方解石组成的；石英岩是由单矿物石英组成的。由于岩石类型不同，在很多岩石中，除了矿物之外，还有一些其他物质。比如矿物颗粒之间的胶结物；遗留在岩石中的植物和动物遗迹（也称化石）；还有由于岩石形成温度高，冷却快、来不及结晶而形成的火山玻璃，这些物质也都是构成岩石集合体的成分。由于其矿物组合、矿物成分和矿物含量千变万化，使形成的岩石仍然各不相同。比如花岗岩是酸性侵入岩，主要是由石英、酸性斜长石和云母组成的；玄武岩是基性喷出岩，它的主要矿物成分是橄榄石、辉石、角闪石和基性斜长石。矿物组合明显不一样，即使都有长石，成分也不同。虽然岩石的面貌是千变万化的，但是从它们形成的环境，也就是从成因上来划分，可以把岩石分为三大类：沉积岩、岩浆岩和变质岩。二、各类岩石简介及其工程特性岩浆岩1.岩浆岩的形成地壳下部，由于放射性元素的集中，不断地蜕变而放出大量的热能，使物质处于高温（1000C以上）、高压（上部岩石的重量产生的巨大压力）的过热可塑状态。成分复杂，但主要是硅酸盐，并含有大量的水汽和各种其他的气体。当地壳变动时，上部岩层压力一旦减低，过热可塑性状态的物质就立即转变为高温的熔融体，称为岩浆。岩浆内部压力很大，不断向地壳压力低的地方移动，以致冲破地壳深部的岩层，沿着裂缝上升。上升到一定高度，温度、压力都要减低。当岩浆的内部压力小于上部岩层压力时，迫使岩浆停留下，冷凝成岩浆岩。2.岩浆岩的成分及工程特性分析主要有SiO2、TiO2、A1203、Fe203、FeO、MgO、MnO、CaO、K2O、Na2O等。矿物种类影响：一般硬度大的粒状和柱状矿物含量愈高，则其强度越高，如石英、长石、角闪石、辉石和橄榄石等矿物。硬度低，解理非常发育的矿物含量越高，则岩石强度越低，如云母特别是黑云母。矿物化学稳定性影响：石英、白云母的化学稳定性高，特别是石英的抗风化能力特强，而长石，特别是黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等，在地表条件下，极易发生化学分解，形成次生的粘土矿物。因此，暗色矿物含量高的岩浆岩，其工程性质要差一些。3.岩浆岩的结构、构造及工程特性分析3.1岩浆岩的结构岩浆岩的结构，是指组成岩石的矿物的结晶程度、晶粒的大小、形状及其相互结合的情况。岩浆岩的结构特征，是岩浆成分和岩浆冷凝时物理环境的综合反映。结晶程度上可分为：①半晶质结构：岩石由结晶的矿物颗粒和部分未结晶的玻璃质组成②全晶质结构：岩石全部由结晶的矿物颗粒组成③非晶质结构：岩石全部由熔岩冷凝的玻璃质组成（玻璃质）工程特性：结晶矿物的晶粒依靠直接接触的力牢固的联结一起，结合力强，孔隙小，孔隙度低，稳定性好，强度一般较高。相对大小上可分为：①等粒结构（全晶质）：同一种矿物的结晶颗粒大小近似者②似斑状结构（全晶质）：岩石中的同一种主要矿物，其结晶颗粒如大小悬殊③斑状结构（半晶质）：由结晶颗粒和基质组成工程特性：等粒结构比不等粒结构强度高，如细粒花岗岩抗压强度为260MPa，粗粒花岗岩仅为120MPa，等粒花岗岩抗拉强度为18MPa，斑状花岗岩则为4MPa。3.2岩浆岩的构造岩浆岩的构造是指矿物在岩石中的组合方式和空间分布情况。构造的特征主要取决于岩浆冷凝时的环境。岩浆岩最常见的构造主要有块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造。块状构造：矿物在岩石中分布杂乱无章，不显层次，呈致密块状。如花岗岩、花岗斑岩等一系列深成岩与浅成岩的构造。流纹状构造：由于熔岩流动，由一些不同颜色的条纹和拉长的气孔等定向排列所形成的流动状构造。这种构造仅出现于喷出岩中，如流纹岩所具的构造。气孔和杏仁状构造：是喷出岩中常见的构造。由于岩浆迅速凝固而保留在岩石中形成的空洞，为七孔桩构造；当气孔被岩浆期后的矿物质填充时，其填充物状如杏仁，故称为杏仁状构造。工程特性分析：构造的不均匀性和裂隙发育降低岩石强度。喷出岩流纹构造、杏仁状构造等，使岩石呈现非均质和各向异性。一些强度低、易风化的矿物多沿一定方向富集，成条带状分布，或局部聚集。气孔构造，各种裂隙等，均使岩石的连续性和整体性受到影响。在外力作用下，裂隙成为岩石破坏突破口。同时，岩石裂隙和孔隙的发育，增大了岩石孔隙度，促进风化作用进行，为水的进入提供了通道，被水饱和的岩石，其粒间的联结力遭到削弱，其强度会大大降低。另外，侵入岩矿物结晶好，颗粒之间联接牢固，多呈块状构造。因此，侵入岩抗水性强、力学强度及弹性模量高，具有较好的工程性质。但侵入岩矿物成分、结构构造不同，其工程性质有较大的差别。喷出岩具有隐晶质结构、致密块状构造的粗面岩、安山岩、玄武岩等，工程性质良好，其强度甚至稍大于花岗岩，但当这类岩石具有明显的流纹、气孔构造或含有原生节理时，工程性质变差，孔隙度增加，抗水性降低，力学强度及弹性模量减小。所以在路基路面建设施工过程中，应充分考虑上述因素的影响。4.常见的岩浆岩①酸性岩类花岗岩、花岗斑岩、流纹岩②.中性岩类正长岩、正长斑岩、粗面岩、闪长岩、闪长斑岩、安山岩③基性岩类辉长岩、辉绿岩、玄武岩沉积岩1.沉积岩的形成露出地表的各种岩石------风化破坏------形成岩石碎屑、细粒粘土矿物、溶解物质------被流水等运动介质搬运到河、湖、海洋等低洼的地方沉积下来------长期压密、胶结、重结晶等复杂的地质过程------形成了沉积岩。2.沉积岩的成分及分类沉积岩主要是由碎屑物质、粘土矿物、化学沉积矿物等组成。有机质及生物残骸由生物残骸或有机化学变化而成的物质。如贝壳、泥炭及其它有机质等。3.沉积岩的结构、构造及工程特性分析3.1沉积岩的结构结构主要是指岩石组成物质、颗粒大小及其形状等方面的特点。沉积岩的结构包括：碎屑结构：由碎屑物质被胶结物胶结而成泥质结构：几乎全部由小于0.005mm的粘土质点组成。是泥岩、页岩等粘土岩的主要结构结晶结构：由溶液中沉淀或经重结晶所形成的结构。由沉淀生成的晶粒极细，经重结晶作用晶粒变粗，但一般多小于1mm，肉眼不易分辨。结晶结构为石灰岩、白云岩等化学岩的主要结构。生物结构：由生物遗体或碎片所组成，如贝壳结构、珊瑚结构等。是生物化学岩所具有的结构。在工程上，常见的煤层及与之共生的煤系地层，工程性质较差，要注意地下工程中常常遇到的瓦斯问题和煤层突出问题。3.2沉积岩的构造岩石的构造是指其组成部分的空间分布及其相互间的排列关系。沉积岩最主要的构造是层理构造。由于季节性气候的变化，沉积环境的改变，使先后沉积的物质在颗粒大小、形状、颜色和成分上发生相应变化，从而显示出来的成层现象，称为层理构造。层理分为：水平层理、斜层理、交错层理工程特性分析：层理与层面构造及岩相变化：如缝合线构造、泥裂、波纹、交错层理及层间角砾岩块等，使得岩层层面参差不齐，上下相邻岩层相互咬合很牢，利于碎屑岩层的稳定。垂直层理方向，薄层泥灰岩和或页岩等软弱夹层，或岩性软硬相间，往往导致层间滑动及层间扭曲，并伴有渗水，对岩体稳定不利，顺层滑坡多与此有关。在水平方向上，岩性岩相变化非常复杂，岩层厚度常因相变尖来而形成透镜体、扁豆体，构成船形滑移体。岩体在垂直方向和水平方向不均匀性和各向异性，在适宜的构造和地貌条件下可产生各种各样的工程地质问题。4.常见的沉积岩①粘土岩类主要由粘土矿物及其他矿物的粘土粒组成的岩石，如页岩、泥岩等。②碎屑岩类主要由碎屑物质组成的岩石。其中由先成岩石风化破坏产生的碎屑物质形成的，称为沉积碎屑岩，如砾岩、砂岩及粉砂岩等；由火山喷出的碎屑物质形成的，称为火山碎屑岩，如火山角砾岩、凝灰岩等。5.与岩浆岩的区别沉积岩的层理构造、层面特征和含有化石，是沉积岩在构造上区别于岩浆岩的重要特征。在沉积岩的组成物质中，粘土矿物、方解石、白云石、有机质等，是沉积岩所特有的，是物质组成上区别于岩浆岩的一个重要特征。变质岩1.变质岩的形成变质岩是由原来的岩石（岩浆岩、沉积岩和变质岩）在地壳中受到高温、高压及化学成分加入的影响，在固体状态下发生矿物成分及结构构造变化后形成的新的岩石。在变质因素的影响下，促使岩石在固体状态下改变其成分、结构和构造的作用，称为变质作用。变质作用的因素主要包括：高温：因为温度升高后，一方面能促使岩石发生重结晶，形成新的结晶结构，如石灰岩发生重结晶作用后晶粒增大，成为大理岩；另一方面还能促进矿物间的化学反应，产生新的变质矿物。高压：在静压力长期作用下，岩石的孔隙性减小，使岩石变得更加致密坚硬；会使岩石的塑性增强，比重增大，形成石榴子石等比重大的变质矿物；使岩石和矿物发生变形和破裂，形成各种破碎构造；有利于片状、柱状矿物定向生长；促进新的矿物组合和发生重结晶作用，而形成变质岩特有的片理构造。新的化学成分的加入：在温度和压力的综合作用下，这些具有化学活动性的成分，容易与围岩发生反应，产生各种新的变质矿物，甚至会使岩石的化学成分发生深刻的变化。2.变质岩的成分除原来岩石的矿物，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、白云石等外，变质岩还多了变质矿物，如石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石等。（变质岩特有的变质矿物）3.变质岩的结构、构造及工程特性分析3.1变质岩的结构和岩浆岩类似，几乎全部是结晶结构。但变质岩的结晶结构主要是经过重结晶作用形成的，所以在描述变质岩的结构时，一般应加变晶二字以示区别。如粗粒变晶结构，斑状变晶结构等。3.2变质岩的构造主要的是片理构造和块状构造。（片理构造是变质岩所特有的）。比较典型的片理构造有下面几种：①板状构造：片理厚，片理面平直，重结晶作用不明显，颗粒细密，光泽微弱，沿片理面裂开则呈厚度一致的板状，如板岩。②千枚状构造：片理薄，片理面较平直，颗粒细密，沿片理面有绢云母出现，容易裂开呈千枚状，呈丝绢光泽，如千枚岩。③片状构造：重结晶作用明显，片状、板状或柱状矿物沿片理面富集，平行排列，片理很薄，沿片理面很容易剥开呈不规则的薄片，光泽很强，如云母片岩等。④片麻状构造：颗粒粗大，片理很不规则，粒状矿物呈条带状分布，少量片状、柱状矿物相间断续平行排列，沿片理面不易裂开，如片麻岩。工程特性分析：在片理构造中，片岩、千枚岩及板岩片理构造发育，工程性质各向异性。千枚岩、滑石片岩、绿泥石片岩、石墨片岩等岩石强度低，抗水性很差，特别是沿片理或节理面，抗剪、抗拉强度低，遇水易滑动，沿片理、节理面容易剥落。片麻岩片理构造发育，当石英、正长石含量较多时，工程性质比上述岩石要好。但片麻岩年代久远的岩石，构造运动影响而破碎和风化程度。对于块状构造而言，石英岩和大理岩，结晶连接、矿物成分稳定或比较稳定的单矿物岩石。强度高，抗风化能力强，有良好的工程性质。岩浆岩、变质岩、沉积岩三者的联系岩浆岩、沉积岩和变质岩彼此都有一定的转化关系，当时间和地质条件发生改变以后，任何一类岩石都可以变为另外一类的岩石。三、岩石的破坏形式与工程建设的关系脆性破坏大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。塑性破坏在两向或三向受力情