工程地质条件成因演化论工程地质学课件

第一篇

工程地质学基本理论授课：谌会芹石家庄经济学院勘查技术与工程学院9/13/20231工程地质学第一篇

工程地质学基本理论授课：谌会芹7/28/20231主要内容

第1章工程地质条件成因演化论第2章区域稳定性理论第3章岩体结构控制论9/13/20232工程地质学主要内容第1章工程地质条件成因演化论7/28/202一、概述二、工程地质条件形成的控制因素三、中国工程地质条件分区分带四、工程地质条件的组合类型五、工程地质条件成因演化论9/13/20233工程地质学一、概述7/28/20233工程地质学工程地质条件的成因演化论揭示了工程地质条件的形成与演化规律的本质因素，是工程地质工作者理论研究与工程实践的系统总结。工程地质条件的相互组合及其分布有其特定的规律性，如高山峡谷地带、冲积平原地带各有特点。一、概述9/13/20234工程地质学工程地质条件的成因演化论揭示了工程地质条件的形成与复习地球的基本知识地球的构造：地球内圈：9/13/20235工程地质学复习地球的基本知识地球的构造：地球内圈：7/28/202351909年莫霍罗维奇：33km；第一个地震波不连续面：莫霍面；1914年古腾堡：2898km；第二个地震波不连续面；古腾堡面、地壳、地幔及地核。莫霍面莫霍面古登堡面9/13/20236工程地质学1909年莫霍罗维奇：33km；第一个地震波不连续面：莫霍地壳(crust)：由固体岩石构成，平均厚度33km,分硅铝层(花岗岩层)和硅镁层(玄武岩层)。地幔(mantle)：厚度约2865公里，主要由致密的造岩物质构成，是地球内部体积最大、质量最大的一层。可分成上地幔和下地幔两层。上地幔顶部存在一个地震波传播速度减慢的层（莫霍面），岩石圈（岩石圈指地壳和上层地幔顶部）以下称为软流层，上地幔是熔融状态物质,可能是岩浆的发源地；下地幔主要是由铁镁氧化物和硫化物组成。地核(core)：由比重较大的铁镍合金组成，平均密度大于10g/cm3。外核是液态的,内核是固态。地壳运动主要起因于地幔物质的对流。复习地球的基本知识9/13/20237工程地质学地壳(crust)：由固体岩石构成，平均厚度33km,分硅地球外圈：9/13/20238工程地质学地球外圈：7/28/20238工程地质学复习地球的基本知识大气圈(atmosphere)：是地球以外的空间,它提供生物需要的CO2和O2，对地貌形态变化起着极大的影响。水圈(hydrosphere)：由大气圈的水蒸气凝结降雨形成海洋和湖泊沼泽及地下水。水与地表岩石相互作用，作为最活跃的地质营力促进各种地质现象的发育。生物圈(biosphere)：渗透在水圈、大气圈下层和地壳表层的范围之中，对于改变地球的形态起着重要的作用。9/13/20239工程地质学复习地球的基本知识大气圈(atmosphere)：是地球以外二、工程地质条件形成的控制因素内、外动力地质作用1.内动力地质作用：由地球内部能（旋转能、重力能、辐射热能）引起。9/13/202310工程地质学二、工程地质条件形成的控制因素内、外动力地质作用1.内动力地1）地壳运动：水平和升降运动。9/13/202311工程地质学1）地壳运动：水平和升降运动。7/28/202311工程地质2）岩浆作用：岩浆形成、运动、演化、冷凝。岩浆在地壳内部活动、演化直至冷凝成岩的过程称为侵入作用，喷出地表后冷凝成岩的过程称为岩浆喷出作用

9/13/202312工程地质学2）岩浆作用：岩浆形成、运动、演化、冷凝。岩浆在地壳内部活动3）变质作用：在高温、高压并有化学物质参与下，岩石发生成分、结构构造的变化沉积岩方解石与白云石大于50%9/13/202313工程地质学3）变质作用：在高温、高压并有化学物质参与下，岩石发生成分、4）地震作用地壳内机械能突然释放，以弹性波的形式传播到地表引起猛烈冲击

是一种快速、短暂、突发的构造运动。是地壳运动或构造运动的一种特殊形式。1976年7月28日，河北省唐山、丰南一带发生7.8级强烈地震。唐山市河北矿冶学院图书馆，三层高的阅览室，系装配式纯框架结构，西头倒毁、东头框架幸存。（为唐山地震重点保护遗迹之一。）9/13/202314工程地质学4）地震作用地壳内机械能突然释放，以弹性波的形式传播到地表引9/13/202315工程地质学7/28/202315工程地质学地震造成建筑物破裂，道路堵塞，并引发滑坡，使多数房屋倒塌9/13/202316工程地质学地震造成建筑物破裂，道路堵塞，并引发滑坡，使多数房屋倒塌7/小结：各种内力地质作用是相互关连的构造运动形成断裂，引起地震，并为岩浆活动创造通道。构造运动和岩浆活动引起变质作用。地壳运动在内力地质作用中起主导地位。9/13/202317工程地质学小结：各种内力地质作用是相互关连的构造运动形成断裂，引起地震2.外力地质作用：由太阳辐射能引起，产生大气环流，形成水的循环，动植物生长，在运动的过程中改造地表.9/13/202318工程地质学2.外力地质作用：由太阳辐射能引起，产生大气环流，形成水的循外力地质作用的营力：河流的侵蚀；地下水的潜蚀；风的吹蚀；冰川的刨蚀；湖泊海洋的冲蚀等。9/13/202319工程地质学外力地质作用的营力：河流的侵蚀；地下水的潜蚀；风的吹蚀；冰川一般按风化→剥蚀→搬运→沉积→硬结成岩的程序进行风化：在地表环境下，由于大气、水、生物等作用，岩石在原地分解和破坏。剥蚀：各种地质营力，在运动过程中对地表岩石产生破坏，并把破碎分解了的产物剥离原地。搬运拖曳搬运悬浮搬运溶解搬运硬结成岩压实胶结重结晶沉积机械沉积化学沉积生物化学沉积9/13/202320工程地质学一般按风化→剥蚀→搬运→沉积→硬结成岩的程序进行风化：在地美国西部风蚀地貌(刘焕杰摄，1989)外力地质作用——风化作用9/13/202321工程地质学美国西部风蚀地貌(刘焕杰摄，1989)外力地质作用——风化作风蚀岩—美国犹他州Goblin峡谷风化作用9/13/202322工程地质学风蚀岩—美国犹他州Goblin峡谷风化作用7/28/2023外力地质作用——剥蚀作用河流的底侵蚀作用——雅鲁藏布江“V”形下切河谷，其形成背景与强烈的构造抬升作用有关9/13/202323工程地质学外力地质作用——剥蚀作用河流的底侵蚀作用——雅鲁藏布江“V”美国科罗拉多大峡谷景观河流侵蚀地貌9/13/202324工程地质学美国科罗拉多大峡谷景观河流侵蚀地貌7/28/202324工程砂泥质源源不断地搬运至异地黄河穿越黄土高原将其负载的外力地质作用——搬运作用9/13/202325工程地质学砂泥质源源不断地搬运至异地外力地质作用——搬运作用7/28/正在蚕食人类乐园的风沉积物——沙漠外力地质作用——沉积作用9/13/202326工程地质学正在蚕食人类乐园的风沉积物——沙漠外力地质作用——沉积作用7外力地质作用——固结成岩作用9/13/202327工程地质学外力地质作用——固结成岩作用7/28/202327工程地质学内力和外力地质作用的关系：内力地质作用决定地表的基本形态和内部构造。—地表形态的塑造者。外力地质作用破坏和重塑地表形态。—地表形态的雕刻者。地壳上升时，遭受剥蚀。地壳下降时，接受沉积。高山峡谷、山间盆地、冲积平原、河口三角洲、滨海平原等地貌形态，各有其特有的工程地质条件组合。9/13/202328工程地质学内力和外力地质作用的关系：高山峡谷、山间盆地、冲积平原、河口大陆以剥蚀为主，海洋以沉积为主。山区以剥蚀为主，平原以沉积为主。9/13/202329工程地质学大陆以剥蚀为主，海洋以沉积为主。7/28/202329工程地9/13/202330工程地质学7/28/202330工程地质学9/13/202331工程地质学7/28/202331工程地质学工程地质条件的动力演化机制、地球内外的动态平衡，是一个漫长的地质历史过程，而人类的寿命和修建建筑物的历时比较短暂，因而工程地质工作者更关心的是工程地质条件的组合分布规律现实状态和适合工程建筑的地质条件。也即是应用地质学的成果。工程地质条件的形成起到关键作用的是大地构造与自然地理环境9/13/202332工程地质学工程地质条件的动力演化机制、地球内外的动态平衡，是一1、大地构造大地构造环境的复杂程度和内动力地质作用关系密切，活动大陆边缘，内动力作用最强烈，洋壳向陆壳俯冲，形成挤压褶皱、逆冲断裂、岩浆作用等的地质条件。一般来说，褶皱造山时代越新，固化越弱，内动力作用越强。地槽与地台学说地质力学板块构造学说大地构造9/13/202333工程地质学1、大地构造大地构造环境的复杂程度和内动力地质作用地槽与地台学说：地槽区是巨大的狭长的拗陷地带，发展前期表现为强烈的地壳沉降作用，后期表现为强烈的地壳上升运动，同时伴随有大规模的岩浆侵入活动和火山喷发活动，以及大范围的区域变质作用。地槽回返上升的晚期，岩层挤压褶皱隆起上升，形成褶皱带。地台区多是具有双层结构的稳定地块，其下部为褶皱基底，上部为沉积盖层，没有沉积盖层的地台称为地盾。地台区升降运动的幅度小，沉积物的厚度较小，岩相比较稳定。

致命缺陷：地壳运动方向错误（垂直为主），驱动力解释不清，分布解释不清(重力分异作用)。9/13/202334工程地质学地槽与地台学说：地槽区是巨大的狭长的拗陷地带，发展前期表现为地质力学是李四光（1889—1971）创立，是地质学的一门分支学科。1926年和1928年李四光发表的《地球表面形象变迁之主因》及《晚古生代以后海水进退规程》等，从理论上探讨自水圈运动到岩石圈变形，自大陆运动到构造形迹等问题，1929年提出构造体系这一重要概念，建立了一系列构造体系类型。李四光把地球自动调节自转速度变化的作用称为“大陆车阀作用”，因而把这一假说称为“大陆车阀假说，但是忽视了一个重要问题，地球引力分布问题

。9/13/202335工程地质学地质力学是李四光（1889—1971）创立，是地质1912年，德国人魏格纳创立大陆漂移假说，限于地球科学当时的水平，大陆漂移思想未被普遍接受。到60年代，地球物理学等学科研究的许多成果，有力支持了这个假说，赫斯等人进一步发展，提出海底扩张说，大陆漂移和海底扩张思想为板块构造说打坚实基础板块构造学说：A大陆漂移说B海底扩张说的提出C板块构造学说9/13/202336工程地质学1912年，德国人魏格纳创立大陆漂移假说，限于地球构造运动使大陆地壳在地表分布格局上发生重要的变化。如褶皱山系、海盆岛弧、海沟裂谷、深海软泥沉积等一系列的变化与有规律的分布大地构造环境控制构造应力场的分布控制外动力地质作用的性质和强度非洲中东部布隆迪共和国的首都，旧名乌松布拉莫桑比克第二大经济中心和主要港口。约旦和巴勒斯坦交界，是世界上最低的湖泊，湖面海拔负422米，死海的湖岸是地球上已露出陆地的最低点9/13/202337工程地质学构造运动使大陆地壳在地表分布格局上发生重要的变化。如褶皱山系2、自然地理环境一系列的外动力地质作用既然形成于特定的地理环境中，因而外动力地质作用的强度与性质受自然地理环境的制约，自然地理环境对工程地质所关心的土壤、水、植被等变化具有重要作用。气候分带：热带、亚热带、温带、寒带等气候纬度分带干湿度地带分异：海陆分布、湿润、半湿润、干旱地貌的区域性变化：高山、山地、丘陵、盆地、平原9/13/202338工程地质学2、自然地理环境一系列的外动力地质作用既然形成于特定的地理环三、中国工程地质条件分区分带的规律性1、中国大地构造环境地壳厚度：地壳最厚、中等、最薄与地形最高、中等、最低相对应；最厚60~70km，中等是40~50km，最薄是30~35km；青藏高原—海拉尔盆地、内蒙古中部、四川盆地、云贵高原—东部沿海平原。9/13/202339工程地质学三、中国工程地质条件分区分带的规律性1、中国大地构造环境地

稳定地台与褶皱造山带的基本轮廓：3个最大的地台：华北、扬子和塔里木地台自北向南有4个陆间褶皱带：a)准葛尔-兴安褶皱区；b)秦岭祁连山-昆仑山褶皱区；c)青藏-滇西褶皱区；d)喜马拉雅褶皱系。三、中国工程地质条件分区分带的规律性1、中国大地构造环境9/13/202340工程地质学稳定地台与褶皱造山带的基本轮廓：三、中国工程地质条件分区分9/13/202341工程地质学7/28/202341工程地质学三、中国工程地质条件分区分带的规律性1、中国大地构造环境3)新构造活动带：近期的褶皱山区和新生代以来的裂陷盆地。a)喜马拉雅山与台湾地区中央山系是新生代形成的褶皱山系；b)强构造活动主要分布在中国的西部，由于受印度板块的挤压；c)东部处于拉张的地球动力环境，多地堑。其中华北地区是新构造活动最为强烈地区，强烈的地震分布在郯庐断裂带、鄂尔多斯周边裂陷地堑及华北平原局部裂陷内。东北地区、华南地区大新构造运动相对较弱9/13/202342工程地质学三、中国工程地质条件分区分带的规律性1、中国大地构造环境3)三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境1)地貌轮廓的基本特征中国地貌的总体轮廓是西高东低，可分为明显的三个阶梯：青藏高原(4500m)大兴安岭、太行山、巫山、雪峰山(1000~2000m)以东的宽广平原和丘陵(500m以下)。详见p18图格局是由燕山运动太平洋板块挤压造成的，地势的差异是喜马拉雅运动印支板块俯冲的结果。9/13/202343工程地质学三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境1)2)气候分区特征根据热量分为赤道带、热带、亚热带、暖温带、温带和寒带。根据水分条件分为湿润、半湿润、半干旱和干旱三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境9/13/202344工程地质学2)气候分区特征三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境3)地壳表层沉积物第四纪沉积物自北向南沙漠(连同戈壁总面积为128×104km2，厚度达200~400m)黄土(面积为30×104km2，厚度达100~200m)、膨胀土(主要由基性火成岩、泥岩、粘土岩或页岩组成，多为残积、坡积成因，分布在中南各省)、红土(分布在西南各省，残积、坡积成因，厚度10m左右)、淤泥质软土(分布在东南沿海，经生物化学作用形成的，厚度往往很大)。9/13/202345工程地质学三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境3)4)区域水文地质特征孔隙含水层主要分布在中国东部平原，裂隙含水层主要分布在西部山区，岩溶含水层广泛分布于西南各省，青藏高原的冻结水文地质条件。三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境9/13/202346工程地质学4)区域水文地质特征三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、三、中国工程地质条件分区分带的规律性2、中国自然地理环境5）物理地质现象的区域分布规律西北地区物理地质现象为流动沙丘，随风移动；黄土高原地带由于冲沟下切数十米，且由垂直节理发育，多发生滑坡；中西部山区物理地质现象多为大型基岩崩落及滑坡，在大型断裂带两侧更为密集；东北高纬度地区与青藏高原物理地质现象有热融滑塌，热融沉陷等；以秦岭为界限划分的南方与北方，岩溶各有特点，北方地下岩溶为网状裂隙体系为主，南方地下有发育的管道。9/13/202347