第一章基础地质知识

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2第一章基础地质知识§1.地质作用一.地球的物质组成地球不是均匀球体，而是具有圈层结构的椭球体，半径6371km1.地核半径2883km，由固态内核和液态外核组成，主要成分：Fe、Ni2.地幔地壳以下至2900km，主要由富含Fe、Mg的硅酸盐物质组成。地幔顶部约50-250km的物质多为熔融状态，易于发生塑性流动，地壳固态岩石分裂成许多板块，在软流圈上运动3.地壳大陆地带厚35km，面积1.49×108km2，占地球表面积的29.2%，是人类工程活动的作用区域；海洋地带厚约7-8km，面积3.61×108km2，占地球表面积的70.8%3Crust地壳Uppermantle上地幔5二.地质作用地质作用：由自然动力引起的地球和地壳的物质组成、内部结构及

地表形态不断变化发展的作用(一)地质作用的动力来源1.来自地球内部放射性元素蜕变产生的内能引起地壳运动、岩浆活动、变质作用、地震作用等（称为内力地质作用）

内力地质作用决定地表的基本形态和地球内部构造（地球组成、陆地、海洋的分布等）2.来自地球之外的外能主要有：太阳辐射热、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能、潮汐能和生物能等以风化-剥蚀-搬运-沉积-硬结成岩的程序进行（称为外力地质作用）

外力地质作用破坏和重塑地壳形态（海河岸剥蚀后不断后退），对人类工程活动影响很大6三.内力地质作用（一）地壳运动地壳运动：由地球自转速度的改变等因素，使得组成地壳的物质不断运动，并改变它的相对位置和内部构造的过程。是改变地壳面貌的主导作用地壳运动方向：升降运动：形成海陆地形水平运动：使地壳岩石受到挤压、拖曳、旋转等，从而使地壳岩层发生强烈的褶皱和断裂，形成不同的地质构造（二）岩浆作用岩浆作用：在地壳运动的影响下，由于外部压力的变化，岩浆向压力减小的方向移动，上升到地壳上部或喷出地表冷却凝固成为岩石的过程岩浆作用方式：喷出作用和浸入作用7（三）变质作用变质作用：岩石受到高温、高压及化学成分的加入，在固体状态下，发生一系列变化，形成新的岩石的过程（四）地震作用地震作用：地壳快速振动的现象8四.外力地质作用（一）风化作用风化作用：引起岩石物理、化学性质发生变化的作用风化的结果：使坚硬致密的岩石松散破坏，改变了岩石原有的矿物成分、化学成分，使岩石的强度和稳定性大为降低，对工程建筑条件起着不良影响风化作用类型：1.物理风化在地表或接近地表条件下，岩石在原地发生机械破碎而不改变其化学成分的过程引起物理风化的因素：1）岩石释重处于地下深处承受巨大静压力的岩石，当上覆岩层遭受剥蚀而卸载时，岩石中储存的能量释放，导致岩石多产生平行地表的节理92）温度变化白昼温差作用，使岩石热胀冷缩，产生多方向的裂隙，岩石破碎3）冰劈岩石空隙中水结冰，体积增大，产生冻胀力，扩大裂隙，为

水的进一步深入提供条件4）晶胀孔隙水中的化合物结晶，体积增大，产生盐胀力2.化学风化岩石在水、氧、二氧化碳以及酸类等各种营力影响下，化学成分发生变化的作用根据营力对成分变化的机理，风化作用可分为：1）溶解作用水能直接溶解组成岩石的矿物，使岩石遭受破坏12

152）水化作用水与岩石中某种矿物化学成分化合为含水化合物的过程

CaSO4+2H2O——CaSO4.2H2O3）水解作用：水与岩石中矿物发生化学作用的过程4）碳酸化作用：岩石中矿物与CO2发生化学作用的过程5）氧化作用：多为变价元素在高氧条件下，形成高价离子3.生物风化生物在其生长和分解过程中，直接或间接地对岩石矿物所起的物理、化学的风化作用如：植物根系的劈裂作用、生物排泄物的化学作用风化作用类型之间的相互关系：

物理风化作用加大了岩石的空隙度，使岩石获得较好的渗透性，而有利于水和微生物等的侵入；化学风化过程中，不仅岩石化学成分发生变化，同时岩石的物理性质也在变化（密度、空隙率、透水性等）164.风化岩层的分带风化作用越接近地表越发育，随深度增大，风化作用减弱，岩石的完整性增大1）整石带：肉眼见不到风化痕迹，但颗粒间联接因风化作用减弱，

强度有所降低2）块石带：岩石被切割成大小不同的石块，裂隙面上出现新矿物，

工程性质发生变化，强度显著降低，渗透性增强3）碎石带：母岩破碎，有大量新矿物生成，渗透性略有降低，强度大为降低4）粉碎带：主要由风化产生的细粒次生矿物组成，渗透性很低，强度降低，压缩性提高，向土过渡5.防治岩石风化的措施1.对已风化产物合理利用和处理：挖除法2.防止岩石进一步风化：抹面法、胶结灌浆法、排水法17（二）剥蚀作用剥蚀作用：通过风力、地面流水、地下水、湖泊、海洋和生物等各种外动力因素，把风化后的松散物从岩石表面搬离原地，并以风化物为工具，参与对岩石、矿物进行风化破坏的过程按引起剥蚀作用的动能性质不同，剥蚀作用可分为以下几种：1.风的吹蚀作用包括吹扬作用和摩蚀作用2.流水的侵蚀作用流水以水流的动能，并以挟带的砂、砾石破坏河床岩石，并把破坏下来的物质带走过程。包括下蚀和侧蚀3.地下水的潜蚀、溶蚀作用4.湖、海水的冲蚀作用5.冰川的刨蚀作用19（三）搬运作用搬运作用：风化剥蚀的产物，在地质营力（风、地表流水、地下水、生物、重力等）的作用下，离开原岩区，经过长距离搬运，到达沉积区的过程搬运作用的方式：拖曳搬运、悬浮搬运和溶解搬运（四）沉积作用沉积作用：由于搬运介质搬运能力的减弱、搬运介质物理化学条件的变化或在生物作用下，被搬运的物质从搬运介质中分离出来，形成沉积物的过程沉积作用的方式：机械沉积作用、化学沉积作用和生物沉积作用（五）成岩作用成岩作用：使松散沉积物转变为岩石的过程成岩作用的阶段分为：压密固结、胶结和重结晶20五.内外力地质作用的相互关系（一）地壳上升与剥蚀作用

一般地形越高，起伏越大的地区，剥蚀作用越强烈（二）地壳下降与沉积作用

地壳下降时，沉积作用加强（三）地壳物质组成的相互转化

组成地壳表层的三大类岩石，在内外动力作用下，是可以相互转化的21§2矿物和岩石一.矿物矿物：指地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物（一）矿物分类按生成条件分类：1.原生矿物由岩浆冷凝形成，在风化的过程中未改变成分如:石英、长石、辉石、云母颗粒较粗大，性质较稳定2.次生矿物由原生矿物经风化作用产生的新矿物如：Al2O3、Fe2O3、粘土矿物、碳酸盐等粘土矿物的特性：颗粒很细，颗粒比表面很大，因其特有的晶胞结构，而使其表面带有电荷，故具有很强的与水作用能力22粘土矿物类型：高岭石：在酸性条件下形成的粘土矿物，具有不活动的双层晶胞结构亲水性较弱蒙脱石：在碱性条件下形成的粘土矿物，具有很大活动性的三层晶胞结构，相邻两晶胞间以负电性的氧原子相对，能吸附不定量的水分子伊利石：晶体结构与蒙脱石相似，但晶胞间常由于离子置换而出现K+，K+在晶胞间起联接作用，减小其亲水性23（二）矿物特征1.形态：具有特定的晶体结构如：针状、柱状、粒状、板状、片状金刚石呈四面体云母呈六方片状金刚石石英方解石滑石252.矿物的物理性质（1）颜色和条痕颜色是矿物最直接的性质条痕：矿物粉末的颜色。

通常将矿物在无釉板上刻画后进行观察。为排除它色与假色对矿物颜色的影响，往往用矿物的条痕来鉴定矿物矿物的条痕比矿物的颜色更固定，是矿物的主要鉴定特征例如：赤铁矿的颜色有赤红、铁红、钢灰等色，可是其条痕总是樱红色

条痕对于硬度小或脆性的有色矿物具有重要鉴定意义；但对于硬度大于瓷板的矿物无条痕色，无鉴定意义

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磁铁矿呈黑色黄铜矿呈黄色孔雀石呈孔雀绿色

辰砂呈鲜红色自然硫为鲜黄色兰晶石呈兰色

27（2）光泽（luster）矿物反射可见光的能力分金属光泽、半金属光泽和非金属光泽（3）硬度（hardness）

矿物的硬度是指矿物抵抗外力刻划的能力。一般用摩氏硬度计

作标准，将矿物的硬度分为十个等级

28正29硬度：金刚石>石英>方解石>滑石（4）解理与断口解理：矿物受外力打击后沿一定的方向破裂成光滑平面的现象晶体结构控制解理特性断口：矿物受外力打击后，产生无一定方向的凸凹不平的断面（5）密度矿物密度变化幅度很大，有的矿物（金属矿物）比重大，而有的矿物（非金属矿物）比重小。按比重可分为三级：轻的：比重小于2.5，用手掂，感觉较轻中等的：比重2.5－4，手掂感觉一般重的：比重大于4，手掂感觉较重3031二.岩石岩石：由一种或多种矿物以一定的规律组成的集合体。岩石构成了地球的表面——地壳（一）岩石的成因分类1.岩浆岩（火成岩）岩浆沿地壳构造薄弱带上升侵入地壳或喷出地面，冷凝后形成的岩石主要矿物成分：硅酸盐矿物，如石英、长石、云母、角闪石常见岩浆岩：花岗岩、正长岩、闪长岩、玄武岩2.沉积岩由沉积物固结变硬而形成的岩石沉积物：可以是原岩（火成岩、变质岩、早期沉积岩）经风化、剥

蚀而成的岩石碎屑，也可以是水溶液沉积物常见沉积岩：砾岩、砂岩、泥岩、页岩、石灰岩、白云岩3.变质岩组成地壳的岩石因地壳运动和岩浆活动（高温高压）而在固态下发生矿物成分、结构构造的改变形成的新岩石矿物成分：可是岩浆岩和沉积岩共有矿物，也可是变质矿物（二）岩石按坚硬程度分类§3地质年代和地质构造一.地质年代地质年代：地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化的时

代段落岩层的地质年代有绝对地质年代和相对地质年代两种表示方法：绝对年代（同位素年龄）：表示地质事件发生至今的年龄相对年代：表示地质事件发生的先后顺序相对地质年代不能说明岩层形成的确切时间，但能反映岩层形成的自然阶段，从而说明地壳发展的历史过程，故在地质工作中，一般以应用相对地质年代为主（一）相对地质年代根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分为一些自然阶段1.地层层序律34未经过构造运动改造的层状岩层大多是水平岩层，水平岩层的层序为每一层都比它下伏的相邻层新而比它上覆的相邻层老，为下老上新，即具有地层层序律，如图3-1。但岩层因构造运动而发生倾斜但未倒转时，倾斜面以上的岩层新，倾斜面以下的岩层老，此时应要仔细研究沉积岩的泥裂、波痕、递变层理、交错层等原生构造来判别岩层的顶、底面，如图所示。图3-1正常层位图3-2变动层位注：1-5代表岩层由老至新2.生物层序律沉积岩中保存的地质时期生物遗体和遗迹称为化石，化石的成分常常已变为矿物质，但原来生物骨骼或介壳等硬件部分的形态和内部构造却在化石里保存下来。在漫长的地质历史时期内，生物从无到有、从简单到复杂、从低级到高级发生不可逆转的发展演化。因此不同地质时代的岩层中含有不同类型的化石及其组合，而在相同地质时期的相同地理环境下形成的地层，含有相同的化石，这就是生物层序律。注意寻找和采集古生物化石标本，尤其是那些对确定地质年代有决定意义的标准化石，就可以依据古生物地层学方法确定岩层的地质年代。39例如：在寒武纪节肢动物三叶虫极盛，在奥陶纪和志留纪三叶虫的种属及数量减少，在志留纪以后三叶虫少见，至二叠纪末三叶虫全部绝灭；此后，两栖类进一步发展演变为爬行类。爬行类再进一步发展演变为哺乳类。哺乳类再进一步发展演变最终出现人类。

奥陶纪出现无颌鱼，志留纪无颌鱼有发展，泥盆纪时无颌鱼兴盛，并发展成有颌鱼

4041（3）切割律不同时代的岩层或岩体常被侵入岩侵入穿插，就侵入岩与围岩相比，侵入者时代新，被侵入者时代老，这就是切割律，即包裹者新，被包裹者老，如图所示。

(a)侵入接触

(b)沉积接触43（二）绝对地质年代

通过同位素年龄的测定，确定岩石的绝对年代。地球形成至今已有46亿年（三）地质年代表有了划分相对年代、绝对年龄的原则，就可以按年代的顺序把地质历史进行系统性编年。1881年，国际地质学会通过了至今通用的地层划分表，以后经过修订、完善，制定出了完整的地质年代表，使之成为划分地球自然历史的准确依据47二.地质结构地质构造：在漫长的地质历史发展演化过程中，地壳在内外地质作用下，不断运动、发展和变化，所造成的产物（一）岩层产状及其测定用走向、倾向和倾角表征52（二）褶皱构造指组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，见图；褶皱构造是岩层产生的塑性变形，为地壳表层广泛发育的基本构造之一褶曲的类型：1.背斜褶曲：指两翼岩层以核部为中心向两侧倾斜，形态上是岩层向上弯曲。背斜核部出露的岩层时代相对较老，而翼部时代相对较新2.向斜褶曲：指两翼岩层向核部倾斜，形态上是岩层向下弯曲的褶皱。向斜核部岩层时代较新，翼部时代较老

相邻向斜和背斜共用一个冀部未剥蚀经剥蚀

53褶皱构造的工程地质评价

褶皱的核部是岩层强烈变形的部位，一般在背斜的顶部和向斜的底部发育有拉张裂隙，背斜核部裂隙发育情况，将图倒置即为向斜的情况。这些裂隙把岩层切割成块状。在变形强烈时，沿褶皱核部常有断层发生，造成岩石破碎或形成构造角砾岩带。此外，地下水多聚积在向斜核部，背斜核部的裂隙也往往是地下水富集和流动的通道。由于岩层构造变形和地下水的影响，所以公路、隧道工程或桥梁工程在褶核部容易遇到的工程地质问题

褶皱的翼部不同于核部，具有另一类工程地质问题。在褶皱两翼形成倾斜岩层容易造成顺层滑动，特别是当岩层倾向与临空面坡向一致，且岩层倾角小于坡角，或当岩层中有软弱夹层，如有云母片岩、滑石片岩等软弱岩层存在时应慎重对待54

褶皱构造的工程地质评价主要是倾斜岩层的产状与路线或隧道轴线走向的关系问题。倾斜岩层对建筑物的地基，一般来说，没有特殊不良的影响，但对于深路堑、挖方高边坡及隧道工程等，则需要根据具体情况作具体的分析5556（三）断裂构造断裂构造：构成地壳的岩体，受力作用发生变形，当变形达到一定程度后，使岩体的连续性和完整性遭到破坏，产生各种大小不一的断裂断裂构造的类型：1.节理：存在于岩体中的裂缝，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造岩体中的裂隙，在工程上除有利于开挖外，对岩体的强度和稳定性均有不利的影响。岩体中存在裂隙，破坏了岩体的整体性，

促进岩体风化速度，增强岩体的透水性，因而使岩体的强度和稳

定性降低2.断层：岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生了显著位移的断裂构造57（1）断层的基本类型根据断层两盘相对位移的情况，可分为下面三种：58图3-12断层类型正断层（图3-12a）：指上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升

的断层。正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用，使上盘沿断层面向下错动而成。一般规模不大，断层线比较平直，断层面倾角较陡，常大于45°逆断层（图3-12b）：上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的

断层。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用，使上盘沿断面向上错动而成。断层线的方向常和岩层走

向或褶皱轴的方向近于一致，和压应力作用的方向垂直平推断层（图3-12c）：由于岩体受水平扭应力作用，使两盘沿断

层面发生相对水平位移的断层，其倾角很大，断层面近于直立，断层线比较平直。实际上，由于岩体的受力性质和所处

的边界条件十分复杂，使断层构造非常复杂（2）断层的工程地质评价在断层分布密集的断层带内，岩层一般都受到强烈破坏，产状紊乱，岩体裂隙增多、岩层破碎、风化严重、地下水多，从而降低了岩石的强度和稳定性；同时，沟谷斜坡崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象发育因此，在确定路线布局、选择桥位和隧道位置时，要尽量避开大的断层破碎带3.活断层活断层是指现在正在活动或在最近地质时期（全新世，1万年）发生过活动的断层。由于它对工程建设地区稳定性影响大，所以是区域稳定性评价的核心问题活断层对工程建筑物的影响是通过断裂的蠕动、错动和地震等对工程造成危害。活断层的蠕动及伴生的地面变形，直接损害断层上及附近的建筑物61如：1.宁夏石咀山红果子沟明代（约400年）长城错动是活断层蠕动造成。长城边墙水平错开1.45m（右旋），且西升东降垂直断

距约0.9m2.断层蠕动还会导致地面产生地裂缝，如西安地裂缝斜贯西安市共

有9条，最长者可达10km以上。该地裂缝发现于1959年，至今仍

在活动，使大量建筑物开裂、道路变形，并切断地下管线、多次

穿越陇海铁路线。地震缝发育不受地貌单元影响，有的地方见到地裂缝向深处与基岩断裂一致。西安地裂缝大多研究者认为是由

于长安临潼断裂的张性蠕动长达8km的地表错动。它呈北30‘东

方向由市区通过，最大水平错距3m，垂直断距0.7-1.0m。错开

了道路、房屋、水泥地面等一切建筑物62（四）地质图及其阅读1.地质图的类型（1）普通地质图标注地形、地层岩性、地质构造（2）第四纪地质与地貌图标注第四纪地层成因类型、岩性、地貌类型等的综合图件（3）水文地质图标注地下水形成、分布规律、赋存条件、循环条件及有关参数（4）工程地质图在普通地质图的基础上，增加各种与工程建筑有关的地质信息（5）地质剖面图2.地质条件在地质图上的表示3.地质图阅读（1）图名、比例尺和图例阅读（2）地形地貌（3）地层分布规律65§4第四纪沉积地层与地貌岩石

风化，剥蚀碎块、矿物颗粒

搬运（重力，风，水，冰川）松散沉积层（土）土的三相组成：土是由土颗粒(固相），孔隙（充填水，气）三相组成，其强度低，变形大，可透水，对工程影响极大第四纪是地球发展的最新阶段，距今仅200万年，长期的内外地质作用，在地壳表面形成了各种不同成因的土，对人类工程活动影响很大。土按成因类型（是否经过搬运、搬运介质等）分类一.残积土指残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物工程地质性质：1.分布地带：分水岭上；平缓的山坡；山谷2.成分：很大程度上与下卧基岩相一致3.颗粒未被磨圆，大小混杂，均匀性差，易于产生不均匀沉降，易

坍塌4.强度随深度增大而增加66

残积物风化岩基岩67

坡积物风化岩、基岩68二.坡积土指雨水、雪水流将高处岩石风化碎屑缓慢地洗刷剥蚀，顺着斜坡向下逐渐移动，或碎屑在重力作用下，堆积在较平缓的山坡上而形成的堆积物工程地质性质：1.分布地带：坡腰或坡脚2.成分：与下卧基岩没有直接关系3.经短距离搬运，较大的碎屑物往往堆积在紧靠斜坡位置，而细小的碎屑则分布在离开斜坡稍远处4.强度低，压缩性较高，易沿下覆基岩面滑动三.洪积土指山洪急流将大量碎屑物沿冲沟搬运到山前或山坡的低洼地带堆积而成的沉积物70

洪积物基岩71工程地质性质：1.分布地带：山前或低平地带2.成分：与下卧基岩没有直接关系3.经长距离搬运，颗粒具有一定的分选和磨圆，粗颗粒先在沟口堆积，较细的泥砂继续随水搬运，多堆积在沟口外围一带，形成洪积扇，厚度从扇顶向外逐渐变薄4.扇顶位置，颗粒粗大，强度较高，变形小，透水性好，为良好地基；前缘由较细物质组成，均匀性好，强度较高，也可作为天然地基；过渡段，位于坡脚，常有地下水溢出，颗粒大小混杂，不宜作为地基四.冲积物指河流流水地质作用将两岸基岩及其上部覆盖物（坡积物、洪积物）剥蚀后搬运，沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物72

经长距离搬运，碎屑物经磨圆、碰撞、逐渐形成亚圆或圆形颗粒，在河流不同位置堆积下来，形成各类冲积物（一）河床相冲积物沉积在河床上的沉积物。因河床水流速度大，沉积物较粗，山区河流或河流上游，多为粗大的石块，砾石，粗砂；河流中下游或平原河流，颗粒逐渐变细，但厚度增大（二）河漫滩相冲积物河漫滩：河床以外在洪水期间被淹没的平坦地带洪水期河水漫溢，沉积的土粒较细，为粉土、粉质粘土或粘土（三）牛轭湖相沉积物牛轭湖：河流截弯取直后淤塞的古河道沉积物多为静水环境中沉积的淤泥和泥炭层，天然含水量大，强度小，变形大，不宜作为天然地基75（四）河口三角洲相沉积物为河流入海（湖）口范围内形成的沉积物其面极广，厚度大，沉积物颗粒细小，含水量大且呈饱和状态，承载力低。其上部由于出露与水面，干燥硬结形成硬壳层，承载力提高，可作为低层建筑物的天然地基五.湖积物1.湖边沉积物：颗粒较粗，主要为砂土、粘性土2.湖心沉积物：近静水环境沉积，主要为粘土、淤泥六.海积物1.浅海相沉积物：位于大陆架主体上，水深下限200米，受较强波浪影响，沉积物主要为细粒砂土、粘性土、淤泥、生物化学沉积物2.大陆斜坡和深海沉积物：受波浪影响小，主要为生物软泥、粘土、粉细砂76七.风积物干旱气候条件下，地面无植被保护，岩石的风化碎屑被风吹扬，

在风力减弱时发生沉积而形成1.风成砂：主要由砂、粉砂及少量粉土组成，分选好，磨圆度高，

具层理2.风成黄土：具有垂直节理，无层理，孔隙大，具湿陷性八.冰积物1.冰碛（qi)：冰川融化，其搬运物就地堆积形成。巨大的石块和

泥质混合，缺乏分选，磨圆度差，不具层理2.冰水沉积：冰雪融化后形成水流，可冲蚀和搬运冰碛进行再沉

积，具有一定的分选和层理常见地貌单元§5地下水地下水：埋藏和运移在地表以下土层和岩石空隙（孔隙、裂隙、空洞）中的重力水一.地下水的来源及存在状态1.地下水主要来源：大气降水和地表水入渗补给自然界中水的循环：