第二章+矿物及岩石

1、第二章 矿物与岩石2.1 矿物与造岩矿物矿物与造岩矿物 2.2 岩浆岩岩浆岩2.3 沉积岩沉积岩2.4 变质岩变质岩2.5 岩石的主要物理力学性质岩石的主要物理力学性质本节要求掌握n造岩矿物的形态及主要物理力学性质n12种左右主要的造岩矿物2.1 矿物与造岩矿物矿物与造岩矿物 矿物矿物矿物矿物：由地质作用形成的具有一定物理性质由地质作用形成的具有一定物理性质与化学成分的自然单质或化合物。与化学成分的自然单质或化合物。是组成矿石和岩石的基本单元。是组成矿石和岩石的基本单元。各种地质作用形成的天然化合物或单质；各种地质作用形成的天然化合物或单质；具有一定的化学成分；具有一定的化学成分；具有一定的晶

2、体结构；具有一定的晶体结构；具有较为稳定的物理性质；具有较为稳定的物理性质；造岩矿物造岩矿物造岩矿物造岩矿物 在已发现的在已发现的30003000种矿物中，组成种矿物中，组成岩石的岩石的3030多种主要矿物称为造岩矿物。多种主要矿物称为造岩矿物。一、矿物的形态一、矿物的形态固固体体矿矿物物结晶质矿物结晶质矿物非晶质矿物非晶质矿物结晶质矿物结晶质矿物 内部质点排列有规律性，内部质点排列有规律性，外表由一些天然平面外表由一些天然平面( (晶面晶面) )包围而成。包围而成。石盐石盐(NaCl)(NaCl)非晶质矿物非晶质矿物 内部质点排列无规律性，内部质点排列无规律性，外表不具有固定的几何形态。外表

3、不具有固定的几何形态。 如蛋白石如蛋白石(SiO(SiO2 2nHnH2 2O)O)、褐铁矿、褐铁矿(Fe(Fe2 2O O3 3nHnH2 2O)O)等等造岩矿物造岩矿物矿物晶体的形态矿物晶体的形态单晶单晶 一向延长形一向延长形二向延长形二向延长形三向延长形三向延长形( (粒状、球状粒状、球状) )( (柱状、针状、纤柱状、针状、纤维状、放射状维状、放射状) )( (片状、板状、片状、板状、鳞片状鳞片状) )造岩矿物造岩矿物石英晶簇石英晶簇集合体集合体 晶簇晶簇纤维状纤维状钟乳状钟乳状土状土状二、矿物的物理性质二、矿物的物理性质 颜色颜色 自色：自色：矿物本身的固有颜色矿物本身的固有颜色它色

4、：它色：矿物中含有杂质而呈现的颜色矿物中含有杂质而呈现的颜色 造岩矿物造岩矿物角闪石黑云母长石自色自色 是矿物固有的颜色，颜色比较固定。对造岩矿是矿物固有的颜色，颜色比较固定。对造岩矿物来说，由于成分复杂，颜色变化很大。物来说，由于成分复杂，颜色变化很大。他色他色 是矿物混入了某些杂质所引起的，与矿物的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，随杂质的不同而异。本身性质无关。他色不固定，随杂质的不同而异。假色假色 是由于是由于矿物内部的裂矿物内部的裂隙或表面的氧隙或表面的氧化薄膜对光的化薄膜对光的折射、散射所折射、散射所引起的。如方引起的。如方解石解理面上解石解理面上常出

5、现的虹彩；常出现的虹彩；斑铜矿表面常斑铜矿表面常出现斑驳的蓝出现斑驳的蓝色和紫色色和紫色。条痕条痕 ：矿物在无釉瓷板矿物在无釉瓷板( (条痕板条痕板) )上刻划后留下的粉上刻划后留下的粉末的颜色末的颜色 造岩矿物造岩矿物天津大学光泽光泽 金属光泽金属光泽 半金属光泽半金属光泽 非金属光泽非金属光泽金刚光泽金刚光泽玻璃光泽玻璃光泽珍珠光泽珍珠光泽丝绢光泽丝绢光泽油脂光泽油脂光泽 造岩矿物造岩矿物矿物表面的反射率的表现。矿物表面的反射率的表现。1. 1. 玻璃光泽玻璃光泽 造岩矿物绝大部分属于非金属光泽。由于矿物造岩矿物绝大部分属于非金属光泽。由于矿物表面的性质或矿物集合体的集合方式不同，又会反表

6、面的性质或矿物集合体的集合方式不同，又会反映出各种不同特征的光泽。映出各种不同特征的光泽。 反光如镜，如长石、反光如镜，如长石、方解石解理面上呈现的方解石解理面上呈现的光泽。光泽。 2. 2. 珍珠光泽珍珠光泽 光线在解理面间发生光线在解理面间发生多次折射和内反射，在解多次折射和内反射，在解理面上所呈现的像珍珠一理面上所呈现的像珍珠一样的光泽，如云母等样的光泽，如云母等。3. 3. 丝绢光泽丝绢光泽 纤维状或细鳞片状矿物，由于光的反射互相干扰，形纤维状或细鳞片状矿物，由于光的反射互相干扰，形成丝绢般的光泽，如纤维石膏和绢云母等。成丝绢般的光泽，如纤维石膏和绢云母等。4. 4. 油脂光泽油脂光泽

7、 矿物表面矿物表面不平，致使光不平，致使光线散射，如石线散射，如石英断口上呈现英断口上呈现的光泽。的光泽。 5. 5. 土状光泽土状光泽 矿物表面矿物表面暗淡如土，如暗淡如土，如高岭石等疏松高岭石等疏松细粒块体矿物细粒块体矿物表面所呈现的表面所呈现的光泽。光泽。透明度透明度 透明透明 半透明半透明 不透明不透明矿物的力学性质矿物的力学性质 硬度：矿物抵抗机械刻划及摩擦的能力。硬度：矿物抵抗机械刻划及摩擦的能力。矿物硬度十度标准表矿物硬度十度标准表金刚石金刚石刚玉刚玉黄玉黄玉石英石英长石长石磷灰石磷灰石萤石萤石方解石方解石石膏石膏滑石滑石矿物矿物10987654321硬度硬度造岩矿物造岩矿物 解

8、理：矿物受敲击后，能沿一定方向裂开成光解理：矿物受敲击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质。滑平面的性质。一组解理一组解理(如云母如云母)二组解理二组解理(如长石如长石)三组解理三组解理(如方解石如方解石)多组解理多组解理 极完全解理极完全解理完全解理完全解理中等解理中等解理不完全解理不完全解理 断口断口：矿物受敲击后，形成各种凹凸不平的：矿物受敲击后，形成各种凹凸不平的 裂开面的性质。如锯齿状、贝壳状等。裂开面的性质。如锯齿状、贝壳状等。造岩矿物造岩矿物n岩浆岩相关的几个概念n了解岩浆岩的产状特点n岩浆岩的结构、构造 n岩浆岩的分类及命名本节要求掌握2.2 岩浆岩岩浆岩 基本定义 物质成分（

9、矿物成分和化学成分） 产状 结构构造 分类和命名2.2 岩浆岩岩浆岩（igneous rocks） 由岩浆（magma）侵入地壳上部或喷出地表后冷凝而形成的岩石岩浆作用 岩浆作用岩浆作用 岩浆沿构造脆弱带上升到地壳上部或地表，岩浆在上升、岩浆沿构造脆弱带上升到地壳上部或地表，岩浆在上升、运移过程中，由于物理化学条件的改变，又不断地改变自己的成分，运移过程中，由于物理化学条件的改变，又不断地改变自己的成分，最后凝固成岩浆岩的复杂过程最后凝固成岩浆岩的复杂过程可分为可分为侵入作用侵入作用和和喷出作用喷出作用侵入岩侵入岩：是岩浆侵入在地壳中冷凝而成的岩石。由于冷却较慢、挥是岩浆侵入在地壳中冷凝而成的

10、岩石。由于冷却较慢、挥发份较多，因此矿物结晶较好，根据侵入岩形成深度的不同，又可发份较多，因此矿物结晶较好，根据侵入岩形成深度的不同，又可分为深成岩、浅成岩等分为深成岩、浅成岩等喷出岩喷出岩：是岩浆及其岩石经火山喷出地表后冷凝和堆积而成的岩石。是岩浆及其岩石经火山喷出地表后冷凝和堆积而成的岩石。火山宁静溢流出来的熔岩流，经冷凝而成的岩石，称为熔岩；火山火山宁静溢流出来的熔岩流，经冷凝而成的岩石，称为熔岩；火山强烈爆发出来的各种碎屑物堆积而成的岩石，称为火山碎屑岩强烈爆发出来的各种碎屑物堆积而成的岩石，称为火山碎屑岩 酸性岩中性岩基性岩超基性岩化学成分富含Si、Al富含Fe、MgSiO2含量65

11、%52-65%45-52%45%颜 色浅色 深色 矿物 成分成因结构构造含正长石为主含斜长石为主不含长石石英黑云母角闪石黑云母角闪石辉石角闪石辉石黑云母辉石角闪石橄榄石橄榄石辉石喷出岩玻璃质斑状隐晶质气孔流纹杏仁浮岩、火山凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩流纹岩粗面岩安山岩玄武岩浅成岩半晶质全晶质粒状块状伟晶岩、细晶岩煌斑岩花岗斑岩正长斑岩闪长玢岩辉绿岩深成岩全晶质粒状块状花岗岩正长岩闪长岩辉长岩一、岩浆岩的物质成分化学成分岩浆岩的化学成分常用以下氧化物表示：SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、 MnO、CaO、 Na2O、 K2O、 SiO2含量是岩浆岩分类的一个主要参数。按SiO

12、2含量的不同可将岩浆岩分为： SiO265 酸性岩 酸性程度基性程度 矿物成分 :正长石、斜长石、石英、白云母等暗色矿物(富含Fe、Mg成分）浅色矿物(富含Si、Al成分) ：黑云母、辉石、角闪石、橄榄石等。 酸性岩中性岩基性岩超基性岩化学成分富含Si、Al富含Fe、MgSiO2含量65%52-65%45-52%65%52-65%45-52%65%52-65%45-52%65%52-65%45-52%65%52-65%45-52%2.0mm)砂状结构(2.00.05mm)粉砂状结构(0.050.005mm)泥质结构(2mm集块岩50mm石灰岩白云岩硅质岩砂岩2-0.05mm火山角砾岩50-2m

13、m粉砂岩0.05-0.005mm凝灰岩2mm黏土岩0.75 的岩石抗水、抗风化、抗冻性强 *四、岩石的抗风化指标、岩石的抗风化指标 岩石的单轴抗压强度岩石的单轴抗压强度 式中：式中：RcRc单轴抗压强度，亦称无侧限强度（土中多用）单轴抗压强度，亦称无侧限强度（土中多用） P P 在无侧限条件下，轴向破坏荷载在无侧限条件下，轴向破坏荷载 A A 试件的截面面积试件的截面面积（一）单轴抗压强度的试验方法（一）单轴抗压强度的试验方法 试件：采用圆柱体为标准试样，直径试件：采用圆柱体为标准试样，直径5cm5cm，允许变化，允许变化范围范围4.8-5.2cm4.8-5.2cm，高度，高度10cm10cm

14、，允许变化范围，允许变化范围9.5-10.5cm9.5-10.5cm； 当缺乏圆柱体制样设备时，允许采用当缺乏圆柱体制样设备时，允许采用5 55 510cm10cm之方之方柱体。柱体。APRc/ 单轴抗压强度的影响因素单轴抗压强度的影响因素1 1岩石本身岩石本身 矿物成分：矿物成分：含强度高的矿物如石英、长石、角闪石、辉石含强度高的矿物如石英、长石、角闪石、辉石等较多时，岩石的抗压强度高，反之，如含云母、高岭石、等较多时，岩石的抗压强度高，反之，如含云母、高岭石、蒙脱石、滑石等较多时，岩石的抗压强度就低；胶结物类型蒙脱石、滑石等较多时，岩石的抗压强度就低；胶结物类型（硅质、铁质、钙质、泥质）（

15、硅质、铁质、钙质、泥质） 岩石结构：岩石结构：表现在三个方面（颗粒大小、空隙率、空隙分表现在三个方面（颗粒大小、空隙率、空隙分布特点），颗粒细小的比颗粒粗大的岩石强度高；空隙率越布特点），颗粒细小的比颗粒粗大的岩石强度高；空隙率越大抗压强度越低；空隙分布具有定向分布特性时，导致岩石大抗压强度越低；空隙分布具有定向分布特性时，导致岩石抗压强度呈现各向异性。抗压强度呈现各向异性。 岩石湿度：岩石湿度：岩石的强度随含水率的增加而降低。岩石的强度随含水率的增加而降低。2 2试验条件试验条件 试样形态：试样形态：圆柱形试样应力分布较方柱形均匀，目前圆柱形试样应力分布较方柱形均匀，目前多推荐采用圆柱形试样

16、；多推荐采用圆柱形试样； 相对尺寸：相对尺寸：试样的高径比对强度的影响，实质上是加试样的高径比对强度的影响，实质上是加载板与试样之间的摩擦约束引起的端部效应的反映。高径载板与试样之间的摩擦约束引起的端部效应的反映。高径比小、试件短，则端部效应明显；比小、试件短，则端部效应明显； 加荷速率：加荷速率：一般抗压强度随加荷速率增加而增大。一般抗压强度随加荷速率增加而增大。 岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。后其试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。（一）直接拉伸法（一）直接拉

17、伸法 试验关键：试验关键：岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩擦力；岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩擦力；所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。APRt/（二）劈裂法（巴西法）（二）劈裂法（巴西法）试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为： 式中式中 P P试件破坏时的极限压力试件破坏时的极限压力 ， D D 试件的直径试件的直径 tt试件厚度试件厚度本试验要点：试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径，并在破坏时其破裂面亦通过该试件的直径。，并在破坏时其破裂面亦通过该试件的直径。D

18、tPt/2 （三）点荷载法（三）点荷载法 该方法的最大特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，该方法的最大特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以是可以是5cm5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下来的不规则岩块的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下来的不规则岩块，不作任何岩样加工直接试验。，不作任何岩样加工直接试验。点荷载强度指数点荷载强度指数I I可按下式求得：可按下式求得： 式中式中 PP荷载与施加点之间的距离荷载与施加点之间的距离 DD试件破坏的极限压力试件破坏的极限压力 I I与与RtRt之间的关系：之间的关系：)(/2MPaDPI )(/96.02MPaDPRt 抗剪断强度：在垂直压力和

19、水平方向上施加的剪应力作用下抗剪断强度：在垂直压力和水平方向上施加的剪应力作用下，岩石试件被剪断。，岩石试件被剪断。 抗剪强度（摩擦强度）：具有先存剪切面下，在垂直压力和抗剪强度（摩擦强度）：具有先存剪切面下，在垂直压力和水平剪切力下，试件发生剪切滑动。水平剪切力下，试件发生剪切滑动。 抗切强度：无垂直压力，在水平剪切力试件剪断。抗切强度：无垂直压力，在水平剪切力试件剪断。岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形过程中表现出弹性、塑性

20、、粘性、脆性和延性等性质。六、岩石的变形特性单轴压缩条件岩石应力应变曲线单轴压缩条件岩石应力应变曲线典型的岩石应力应变曲线分析典型的岩石应力应变曲线分析OAOA：压密阶段：压密阶段，存在于岩石内的微裂隙外力作用下发生闭合所，存在于岩石内的微裂隙外力作用下发生闭合所致。致。ABAB：弹性阶段：弹性阶段弹性模量弹性模量E: E: 曲线中呈直线阶段的应力与应变之比曲线中呈直线阶段的应力与应变之比; ;割线弹性模量割线弹性模量: :指岩石峰值应一半的应力，应变之比值。指岩石峰值应一半的应力，应变之比值。泊松比泊松比 : :弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之比值。弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变

21、之比值。BCBC：塑性阶段：塑性阶段 应力值超过屈服应力之后，随着应力应力值超过屈服应力之后，随着应力的增大，明显表现出应变增大（软化）的的增大，明显表现出应变增大（软化）的现象，坚硬岩石，脆性破坏。现象，坚硬岩石，脆性破坏。三轴压缩条件下岩石的变形特性三轴压缩条件下岩石的变形特性 如图所示的大理岩大理岩，在围压为零或较低的情况下，岩石呈脆性状态； 当围压增大至50MPa时，岩石显示出由脆性到塑性转化的过渡状态： 把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。 围压增加到68.5MPa时，呈现出塑性流动状态； 围压增至165MPa时,试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。 围压对岩

22、石变形的影响得出如下结论： 随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加； 随着围压的增大，岩石的变形显著增大； 随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大； 随着围压的增大，岩石的应力应变曲线形态发生明显改变；岩石的性质发生了变化：由弹脆性弹塑性应变硬化。 花岗岩花岗岩应力应变曲线1)1)水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。 连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。 润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。 水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表

23、面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素2)2)温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响 一般地热每增加100米深度，温度升高3。 高硫矿山、自燃矿物温度高 地下深部研究、核废料处理研究 一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。 如图所示即为三种不同岩石在围压为500MPa，温度由25升高到800时应力应变特征。 玄武岩玄武岩 花岗岩花岗岩 白云岩白云岩 3)3)加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率愈

24、大，弹性模量愈大； 加荷速率愈小，弹性模量愈小。 加载速率越大，获得的强度指标值越高。 国际岩石力学学会（ISRM）建议： 加载速率为0.51MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为510分钟。4)4)围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 由三轴压缩试验可知： 岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。 在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。 例如：欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。 5) 5)风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响 降低岩体结构面的粗糙程度,产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱,坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。 在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。 成分结构和构造的变化,导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。岩石变形指标及其确定岩石变形