工程地质学课件 第2章 矿物与岩石

2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所1工程地质李子生二零一五年三月EngineeringGeology2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所2第二章矿物与岩石岩石（土）与矿物的关系及其作用人类的工程活动与地壳的组成物质（岩、土）密切相关。岩石作为地基或建筑材料时，其强度和稳定性影响工程建(构)筑物的造价、正常使用与安全。岩石在一定的地质条件下形成，各类岩石具有不同的矿物组合、独特的结构构造及成因等特征。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所3岩石（土）与矿物的关系及其作用岩石的各种特征影响其强度与稳定，也在一定程度上影响土（岩石风化以后的产物）的性质。组成岩石的各种矿物的成分、性质及其形成环境等因素的不同，也会对岩石的强度和稳定性产生影响。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所42.1矿物2.1矿物(mineral)①矿物的概念、造岩矿物②矿物的形态、晶体③矿物物理性质：颜色、条痕、透明度、光泽、硬度、解理与断口、其它特征等④常见造岩矿物识别与鉴定

地壳和地球内部的化学元素绝大多数是以化合物的形态存在。这些具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物，称为矿物。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所5矿物区分：根据每种矿物特有的外表形态和物理化学性质进行区分。次生矿物：随外界条件改变，矿物的原来成分、内部构造和性质就会发生变化，形成新的矿物。自然界中的矿物是在各种地质过程中不断形成的，同时又经受着各种地质作用的改造，只有在一定的物理化学条件下才是相对稳定的。2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所6造岩矿物：构成岩石的主要矿物。大约有二十多种，其中以硅酸盐矿物（斜长石、钾长石、辉石、角闪石、云母、橄榄石和粘土矿物等）及石英最多，约占地球上矿物总量的90%以上。地壳中的矿物有三千多种，除个别以气态(如碳酸气、硫化氢气等)或液态(如水、自然汞等)出现外，绝大多数均呈固态。2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所72.1.1矿物的形态矿物具有一定的外形（可根据其外形区别一些常见的矿物）造岩矿物绝大多数是结晶质，其基本特点是组成矿物的原子、离子、分子等基本质点在矿物内部按一定的规律排列，形成稳定的结晶格子构造(图2-1)。2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所8矿物的各向异性：矿物晶格造成矿物的各向异性。如导热性、导电性、硬度、光性等，在不同方向具有不同性质，故为非均质体。晶体、晶面与晶形：在条件适宜的生长环境中，矿物能生成具有一定几何外形的晶体(如图2-2)；完好晶体的自然面称为晶面；晶体的形态称为晶形。2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所9各种矿物都有独特的晶形，晶形是鉴定矿物的重要依据之一，如食盐是正立方体晶体，石英是六方双锥晶体，方解石多为菱面体，云母则为片状等，如图2-2。在不同的物理化学条件下，相同的物质可以形成不同的晶形，如金刚石与石墨，由于其晶体结构的不同，导致矿物的物理性质差别很大。2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所10自然界中的矿物晶体生长受限，其外形往往不规则。只有在矿物形成过程中有足够的时间和空间，才能形成形态完整的矿物，如黄铁矿因生长条件不同可呈立方体或五角十二面体等。自然界中结晶矿物很少以完整的单体晶形出现，通常以许多较小的单休聚集在一起，形成矿物的集合体。矿物集合体形态往往反映了矿物的生成环境，可按矿物集合体的形态进行识别矿物。

2.1矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所11矿物集合体形状常见矿物集合体形状有：(1)晶簇：指在同一基座上生长出许多同类矿物的晶体群，如水晶簇、方解石晶簇等。(2)纤维状：由许多针状、柱状或毛发状的同种单体矿物，平行排列成纤维状。如石棉、纤维石膏等。(3)粒状：大小相近，不按一定规律排列的晶体，聚合在一起形成粒状集合体。依颗粒大小可分为粗粒状、中粒状和细粒状。如橄榄石。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所12矿物集合体形状(4)钟乳状：钙质溶液或胶体在岩石的孔洞或裂隙中因水分蒸发，从同一基底向外逐层生长而成的圆锥形或圆柱形矿物集合体。常见于石灰岩溶洞中，如由洞顶向下生长而形成下垂的钟乳体，称为石钟乳；由下向上逐渐生长的称为石笋；石钟乳和石笋相互连接时，就形成了石柱。(5)鲕状：胶体物质围绕着某质点凝聚而成一个结核，一个个细小的结核聚合成集合体，形似鱼卵，故称鲕状；若结核颗粒大小如豆者，则称为豆状；形似肾状者，则称为肾状集合体2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所13矿物集合体形状(6)土状：看不清楚单体矿物，常呈疏松粉末状，如高岭土。(7)块状：细小的矿物颗粒紧密集合在一起，没有一定排列形式形成块状。如蛋白石，块状石英等2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所14非晶质（玻璃质）矿物的内部质点呈无序排列，没有固定几何外形，具有各向同性的特点，被称为均质体。如蛋白石、玛瑙、火山玻璃质等。非晶质矿物2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所152.1.2矿物的物理性质矿物的物理性质取决于矿物的化学成分和晶体结构特点。矿物的主要物理性质有光学性质、力学性质以及磁性、压电性等。矿物的性质是鉴定矿物的主要依据。可用肉眼和简单工具分辨的矿物物理性质为颜色、条痕、透明度、光泽、硬度、解理和断口等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所161．颜色颜色是矿物对可见光波吸收和反射程度的反映。分为自色、他色和假色。(1)自色：矿物本身所固有的颜色。如黄铁矿呈现铜黄色、方解石为白色或无色等。(2)他色：由矿物内杂质引起，与矿物的本身性质无关。如纯净的石英晶体是无色透明的，但混入Fe3+，Mn2＋则呈紫色；混入氧化铁则呈浅黄色。(3)假色：当矿物具有裂隙、表面氧化膜和解理面时，由于光的干涉而造成的与矿物本质无关的颜色。如方解石解理面上常出现的虹彩；斑铜矿表面常出现斑驳的蓝色和紫色。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所172．条痕条痕是指矿物粉末的颜色。用白色无釉瓷板划擦时所留下粉末的颜色。矿物的颜色与矿物的条痕不一定一致。如黄铁矿是铜黄色，条痕却是暗绿色；斜长石是白色，条痕也是白色。矿物的条痕可作为鉴定矿物的重要标志之一。它可以消除假色、减弱他色，比矿物的颜色稳定。不透明的金属矿物其条痕色比较固定，它代表了矿物自身的颜色，可作鉴定矿物的标志。如赤铁矿有红色、钢灰色、铁黑色等多种颜色，而条痕总是樱红色。一般地，条痕只适合于低硬度矿物的鉴定。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所183．透明度透明度是光线透过矿物的程度。与矿物吸收可见光的能力、化学性质与晶体构造和厚度有关。根据透明度矿物可以分为透明矿物、半透明矿物和不透明矿物。(1)透明矿物：绝大部分光线可以通过矿物，隔着矿物的薄片可以清楚地看到对面的物体。如无色水晶、冰洲石(透明的方解石)等。(2)半透明矿物：光线可以部分通过矿物，隔着矿物薄片可以模糊地看到对面的物体，如闪锌矿、辰砂等。(3)不透明矿物：光线几乎不能透过矿物，如黄铁矿、磁铁矿、石墨等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所194．光泽光泽是矿物表面对可见光反射的能力。其强弱取决于矿物的反射率、折射率或吸收系数。光泽是鉴定矿物的依据之一，也是评价宝石的重要标志。根据矿物光泽的强弱分为金属光泽和非金属光泽。非金属光泽可分为半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽。造岩矿物绝大部分属于非金属光泽。由重金属元素组成的矿物通常光泽强，透明度差。光泽与条痕、透明度相互有关，可配合条痕、透明度来判断光泽的等级。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所204．光泽肉眼划分金属光泽等级的标志如下：(1)金属光泽：呈明显的金属状光亮，反射性很强，类似金属磨光面上的反射光，闪耀夺目。不透明。条痕为黑色。如自然铜、方铅矿、黄铁矿等。(2)非金属光泽：①半金属光泽：呈弱金属状光亮，类似于一般金属的光泽，但较为暗淡。半透明。条痕为深彩色（如红、褐等）为主。如辰砂、黑色闪锌矿等。②金刚光泽：呈金刚石状光亮。半透明或透明。条痕为浅彩色（如浅黄、浅绿等）、白色及无色。如金刚石、浅色闪锌矿等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所214．光泽③玻璃光泽：反光如镜，如同玻璃表面所反射的光泽。透明。条痕为无色或白色。如水晶、萤石、方解石等。④丝绢光泽：透明矿物，呈纤维状集合体时，表面具丝绢光亮。如纤维状石膏、石棉等。⑤珍珠光泽：透明矿物，在极完全的解理面上具珍珠状光亮。如云母等。⑥油脂光泽：透明矿物，解理不发育，在不平坦的断口上具油脂状光亮。如石英、石榴子石磷灰石等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所224．光泽⑦沥青光泽：半透明或不透明的黑色矿物，解理不发育，在断口上具沥青状光亮。例如锡石、磁铁矿、沥青铀矿等。⑧蜡状光泽：某些隐晶质块体或胶凝体矿物表面，呈现出来如石蜡表面呈现的光泽，如蛇纹石、滑石等的光泽；⑨土状光泽：粉末状和土状集合体的矿物，表面暗淡无光。如高岭石、褐铁矿等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所235．硬度硬度是矿物抵抗外来机械作用(如刻划、压入或研磨等)的能力。矿物的硬度一般采用相对硬度来衡量，即采用两种矿物对刻的方法来确定矿物的相对软硬。硬度对比的标准沿用摩氏硬度计，即选用10种不同硬度的标准矿物，按其软硬程度排列成十级用以对比（表2-1）。1度滑石2度石膏3度方解石4度萤石5度磷灰石6度正长石7度石英8度黄玉9度刚玉10度金刚石2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所245．硬度测定矿物的相对硬度的常用方法：指甲(2～2.5)、小铁刀(3～3.5)、玻璃片(5～5.5)、钢刀片(6～6.50)。鉴定矿物的硬度时，要在矿物的新鲜面晶面或解理面上进行。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所256．解理和断口矿物的解理是矿物受外力打击后会沿一定的方向裂开而形成光滑面的特性。光滑的平面称为解理面。另外一些矿物受外力打击后在任意方向破裂并呈各种凹凸不平的断面（如贝壳状、锯齿状等），称为断口。矿物产生解理是由于矿物内部质点按某种特殊规则排列，并形成一些薄弱面，因此解理仅发生在晶质矿物中。不同的晶质矿物因其内部构造不同，在受力作用后开裂的难易程度、解理组数以及解理面的完全程度也有差别。根据矿物解理组数不同可分为一组解理（如云母等）、二组解理（如长石等）、三组解理（如方解石等）及四组解理（如萤石等）等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所266．解理和断口根据解理面的完全程度，可将解理分为：

(1)极完全解理：矿物在外力作用下极易裂成薄片，解理光滑平整，很难发生断口。如云母、石墨等。(2)完全解理：矿物在外力作用下易沿解理方向分裂成平面，解理面平滑，较难发生断口。如方解石、莹石等；(3)中等解理：矿物在外力作用下可沿解理方向分裂成平面，解理面不甚平滑，断口较易出现。如普通辉石、角闪石等；2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所276．解理和断口(4)不完全解理：矿物在外力作用下，不易裂出解理面，易成断口。如磷灰石等。(5)极不完全解理（即无解理）：矿物在外力作用下，极难出现解理面，常为断口。如石英、石榴子石等。不同的解理组数和解理发育程度使不同矿物各具独特的外形特征。如云母可以揭成一层层的小薄片是因为云母具有一组极完全解理，方解石打碎后仍然呈菱面体是因为方解石具三组完全解理。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所286．解理和断口矿物解理的完全程度和断口是互为消长。即在容易出现解理的方向上一般不易出现断口；解理不完全或无解理时，则断口发育。断口在晶质或非晶质矿物上均可发生，并且断口常具有一定的形态，可作为鉴定矿物的一种辅助特征。矿物断口的形状主要有下列几种：贝壳状、锯齿状、参差状和土状。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所296．解理和断口(1)贝壳状：断口呈圆形的光滑面，面上常出现不规则的同心纹，形似贝壳状。如石英等。(2)锯齿状：断口呈尖锐的锯齿状，延展性很强的矿物具此种断口。如自然铜等。(3)参差状：断口面参差不齐、粗糙不平，大多数矿物具此种断口。如磷灰石等。(4)土状：为土状矿物（如高岭石等）所特有的粗糙断口，断口面细粉状。注意晶面与解理面的区别2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所307．其它特征矿物的比重：如方铅矿、重晶石、黑钨矿等大比重矿物，手感很沉。滑石有滑腻感方解石遇盐酸起泡矿物的磁性（磁铁矿）、弹性（云母）、挠性（绿泥石）、压电性（部分石英）、发光性（莹石）等都可以作为鉴别矿物的依据。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所312.1.3常见造岩矿物及鉴定方法常见的造岩矿物及其物理性质，见表2—2。鉴定矿物的方法中以肉眼鉴定最为简便和迅速。肉眼鉴定矿物是凭借放大镜、小刀、磁铁等简便工具，对矿物的外表形态及物理性质等进行肉眼观察。一般是先确定矿物的硬度、光泽、解理和比重（这些物理性质比较固定），然后观察矿物的颜色、形态和透明度等；并注意矿物是否具有磁性、发光性或挠性，遇酸是否起泡等特征，逐步缩小范围，最后定出矿物的名称。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所322.2岩石(rock)●岩石：由矿物组成的自然集合体●岩石分类（按成因）

①岩浆岩②沉积岩③变质岩●岩石结构：岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小与形状、颗粒之间的组合方式。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所332.2岩石(rock)●岩石构造：岩石中矿物集合体之间（或与其它组分之间)的排列、组合方式。eg.岩浆岩—块状沉积岩—层状变质岩—片理状本章要求：掌握①岩石成因；②常见岩石的组分、结构、构造2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所34一、岩浆岩(magmaticrock):岩浆岩也称火成岩，由岩浆冷凝形成。约地壳总重的95%，按形成条件分为：①侵入岩—岩浆侵入地壳深部结晶（深成岩）岩浆侵入地壳浅部结晶（浅成岩）②喷出岩—岩浆喷出地表凝固。二者的结构、构造不同2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所35㈠岩浆岩的成分岩浆岩的成分以硅酸盐为主，基本包括地壳所有元素。浅色矿物：石英、长石、白云母等深色矿物：黑云母、辉石、橄榄石等2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所36㈡岩浆岩的结构（1）按结晶程度划分：①全晶质结构—由全结晶矿物组成。如花岗岩、正长岩等，在温度缓慢降低条件下生成，为侵入岩特征。②半晶质结构—由部分结晶、部分非结晶矿物组成。如花岗斑岩、闪长玢岩等，为浅成岩特征。③非晶质结构—亦称玻璃质结构，在温度急剧下降、未及结晶的条件下生成的岩石结构。如流纹岩、安山岩等，为喷出岩特征。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所37㈡岩浆岩的结构（2）按晶粒大小划分：①显晶结构—结晶颗粒较大而明显，如花岗岩等结构。②隐晶结构—结晶颗粒较小而不明显，如玄武岩等结构。③玻璃质结构—非结晶、致密结构，如流纹岩等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所38㈡岩浆岩的结构（3）按晶粒相对大小划分：①等粒结构—结晶颗粒大小均匀而明显，如花岗岩等结构，为深成岩特征。②不等粒结构—结晶颗粒大小不均匀，部分结晶较好且晶粒大的为斑状结构，其余为似斑状结构，为浅成岩或喷出岩特征。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所39㈢岩浆岩的构造1.块状构造：矿物分布均匀的构造，如花岗岩、花岗斑岩等侵入岩。2.流纹状构造：具流纹状喷出岩特征的构造。3.气孔状构造：含有孔洞的喷出岩构造，如玄武岩等。4.杏仁状构造：气孔被后期矿物充填，形成杏仁状构造，如玄武岩、安山岩等构造。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所40㈣常见岩浆岩按SiO2含量划分为：

1.酸性岩类(＞65％):花岗岩、花岗斑岩等

2.中性岩类(52～65％):正长岩、正长斑岩等

3.基性岩类(45～52％):辉长岩、玄武岩等

4.超基性岩类(＜45％):橄榄岩等详见表2-32023/3/16广东工业大学岩土工程研究所412023/3/16广东工业大学岩土工程研究所42二、沉积岩(sedimentaryrock)沉积物（先成岩的风化产物）经过压固、脱水、胶结、重结晶作用变成的坚硬岩石。约地壳总重的5%，约占地表分布的75%。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所43㈠沉积岩的物质组成（1）岩屑：母岩的机械风化产物，如石英、长石、云母、火山灰等。（2）特有矿物：①高岭石等粘土矿物；②方解石、白云石等化学矿物。（3）有机质：①贝壳等；②胶结物：泥质、钙质、硅质、铁质等。（2）、（3）为沉积岩的特有物质组成2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所44㈡沉积岩的结构1.碎屑结构：是沉积岩的特有结构之一，大多沉积岩具此结构，如砂岩、角砾岩等。2.泥质结构：由粘土矿物组成的粘土岩结构，如泥岩、页岩等。3.结晶结构：为化学岩的结构特征，如石灰岩、白云岩等。 4.生物结构：为生物化学岩的结构特征，如贝壳、珊瑚结构等。 2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所45㈢沉积岩的构造1.层理构造：不同颗粒、形状、颜色、成分的沉积物成层分布的特征，含层面、层厚、夹层等。2.层面构造：层面保留波痕、泥痕等沉积特征的构造。3.化石构造：动植物遗体保留在沉积岩中的构造特征。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所46㈣常见沉积岩火山碎屑岩、角砾岩、砂岩、泥岩、页岩、石灰岩、白云岩等。详见表2-4中所列的物质组成及结构构造。

2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所472023/3/16广东工业大学岩土工程研究所48三、变质岩(metamorphicrock)

㈠矿物成分：1.原岩矿物：为岩浆岩、沉积岩内矿物，如石英、长石、白云石等2.变质矿物：如石墨、滑石、蛇纹石、石榴子石、绿泥石等，是鉴别变质岩的标志性矿物。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所49㈡变质岩的结构1.变余结构：变质过程中原岩的成分、结构被部分保留的特征，如泥质胶结物绢云母、绿泥石等。2.变晶结构：变质过程中由重结晶作用形成的岩石结构，如石英等。与岩浆岩的结晶不完全相同，是变质岩的主要结构。3.碎裂结构：变质过程中受压力作用破碎之后又胶结形成的结构，如断层内的糜棱岩等。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所50㈢变质岩的构造1.片理构造：在定向压力下经重结晶形成平行排列的片理面，沿此面可将岩石劈成片状。是变质岩的主要构造标志。可细分为：⑴板状构造：片理面平直，易沿片理面劈开成薄板状。⑵片状构造：含大量平行排列的片、针、柱状矿物，片理最清楚，沿此面易将岩石劈开。2023/3/16广东工业大学岩土工程研究所51㈢变质岩的构造⑶片麻状构造：深（黑云母）、浅（石英）色矿物呈断续条带状分布，沿此面不易将岩石劈开。⑷千枚状构造：片理面上存在许多绢云母片呈有规律地排列，