Giáo trình Địa chất công trình: Phần 1 - PGS.TS. Nguyễn Hồng Đức

Giáo trình Địa chất công trình được đúc rút cô động và liên kết với nhau thành một khối thống nhất, là kiến thức không thể thiếu của những người làm công tác xây dựng, giao thông, thuỷ lợi. Sau mỗi chương đều có bài tập nhằm giúp sinh viên hiểu sâu hơn những vấn đề cơ bản của lý thuyết và nhận thức môn học với hiệu quả cao. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 dưới đây.

PGS TS NGUYEN HONG DUC ThS NGUYEN VIET MINH

PGS TS NGUYEN HONG DUC

ThS NGUYEN VIET MINH

DIA CHAT

CONG TRINH

tt làm (TH: vit s

LOI GIGI THIEU

Giáo trình "Địa chất công trình" được biên soạn theo chương

trình môn học Địa chất công trình cho các ngành quy hoạch, công

trình, kỹ thuật môi trường của Bộ Giáo dục uà Đào tạo uà phục uụ trực

tiếp cho công tác giảng dạy, học tập môn học Địa chất công trình ở các

trường đại học, cao đẳng xây dụng công trình: xây dựng, hiến trúc,

giao thông, thuỷ lợi uà các chuyên ngành có liên quan uới địa kỹ thuật

công trình

Cơ sở giáo trình là những bài giảng mà tác giả uà đồng nghiệp đã

sử dụng để giảng dạy môn học địa chất công trình tại Trường đại học

Xây dựng, những kết quả nghiên cứu mới uề địa chất công trình uà

uiệc ứng dụng chúng trong thực tế xây dựng

Những uấn đề được trùnh bày trong giáo trình đã được đúc rúi, cô

dong va lién kết uới nhau thành một khối thống nhất, là biến thức

không thể thiếu của những người làm công tác xây dựng, giao thông,

thủy lợi, Sau mỗi chương đều có bài tập nhằm làm cho sinh uiên hiểu

sâu hơn những uấn đề cơ bản của lý thuyết uà nhận thức môn học uới

hiệu quỏ cao

Giáo trình được chuẩn bị tại Bộ môn Địa chất công trùnh Trường

dai hoc Xây dựng

Trong quá trình biên soạn tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ, cổ

uũ của Nhò trường, Bộ môn uà các đông nghiệp Túc giả xin bày tỏ sự

biết ơn chân thành đối uới sự động uiên, khích lệ đó Túc giả cũng xin

chân thành cám ơn Nhò xuất bản Xây dựng, các biên tập uiên, các

cộng tác uiên đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình biên soạn

giáo trình

Tac gid mong nhận được ý kiến đóng góp của độc giả để xây dựng

giáo trình ngày càng hoàn thiện

Các tác giả

lượng = 2,20 fun Anh

= 10dyn/cm? 1 dyn/cm? =0,IPa

ứng suất =9,87 x 10atm 1 atm = 1,01 x 10°Pa

CAC KY HIEU DUNG TRONG SACH

A - Biên độ giao động sóng địa chấn

D,;- Đường kính hữu hiệu lớp hạt lớn

D„„- Đường kính kiểm tra lớp hạt lớn

d - Đường kính

d,;- Đường kính hữu hiệu lớp hạt bé

dạ - Đường kính kiểm tra lớp hạt bé

H,,- Chiéu cao mẫu sau trương nở

H,„„- Chiều cao mao dẫn md

hạ- Chiều cao mẫu trước trương nở

h - Độ chênh cột nước thủy lực

h - Chiều dày tầng chứa nước

K, - Hệ số khe nứt K;- Hệ số phong hóa K; - Hệ số thấm theo phương ngang

m, - Khối lượng nước

N - Số lần búa đóng tiêu chuẩn

N, - Số lần búa đóng tiêu chuẩn đã hiệu chỉnh n- Độ rỗng

Re - Hệ số Reinol

R,- Do bén chong nén tức thời trước khi đá bão hòa nước

R,- Độ bên chống nén tức thời sau khi đá bão hòa nước

Vụ - Thể tích đất trước khi trương nở

V„- Thể tích đất sau khi trương nở

Ya;- Trọng lượng đơn vị day nổi

Y,- Trọng lượng đơn vị hạt

y„- Trọng lượng đơn vị khô

T„ -Trọng lượng đơn vị nước

c- Hệ số hiệu chỉnh

A- Biến dạng tương đối

i, - Bién dạng tương đối thẳng đứng

x„ - Biến dạng tương đối theo phương ngang

pt - Hệ số Puaxon

tạ - Hệ số nhả nước

p- Điện trở suất

p- Dung trọng

pu;- Dung trọng đẩy nổi

p,,- Dung trong hat px- Dung trọng khô p„- Dung trọng nước

ơ - Ứng suất

+- Cường độ kháng cắt

3 - Tổng

MO DAU

Càng ngày công tác điều tra, khảo sát Địa chất công trình càng được coi trọng trong

_ xây dựng, cấp thoát nước và bảo vệ môi trường Điều này bắt nguồn từ một thực tế là

việc nghiên cứu đánh giá điều kiện Địa chất công trình không những cho phép lựa chọn

phương án kinh tế kỹ thuật tối ưu, đảm bảo sự bền vững và khai thác công trình, nguồn

tài nguyên đất đá một cách hiệu quả mà còn tạo tiền đề giải quyết một cách hợp lý các

vấn đề thuộc về sinh thái địa chất và bảo vệ môi trường thiên nhiên

Địa chất công trình là khoa học ứng dụng các tri thức địa chất để giải quyết các vấn

đề khác nhau nhằm phục vụ cho các công tác xây dựng, từ quy hoạch, thiết kế đến thi

công, khai thác và bảo vệ các công trình xây dựng Địa chất công trình nghiên cứu tất cả

các điều kiện địa chất liên quan, ảnh hưởng đến công trình xây dựng, nói riêng và công

tác xây dựng, nói chung Các điều kiện này được gọi là điều kiện địa chất công trình

Các điều kiện địa chất công trình chính, quan trọng bao gồm: địa tầng, cấu trúc địa chất,

địa mạo, địa chất thủy văn, các hiện tương và quá trình địa động lực Các điều kiện địa

chất công trình sẽ được lần lượt trình bày trong giáo trình này

Đối tượng nghiên cứu của địa chất công trình trước hết là đất đá xây dựng- Đất đá

làm nền, môi trường, vật liệu cho các công trình xây dựng Địa chất công trình nghiên

cứu đất đá phần trên vỏ quả đất, thành phần, trạng thái, tính chất cơ, lý, nước của

của chúng

Đất đá có thể làm nền, môi trường cho các công trình xây dựng, tạo nên bề mặt địa

hình, cảnh quan xây dựng Nhưng đất đá là những vật liệu tự nhiên tồn tại trong những

điều kiện rất khác nhau, không nhiều thì ít, không ở dạng này thì ở dạng khác chứa giữ

một lượng nước dưới đất nhất định Hai thành phần đất và nước luôn tác động qua lại với

nhau, phụ thuộc nhau và tạo nên một thể thống nhất đó là đất đá - nước Vì vậy, Địa chất

công trình không nghiên cứu đất đá tách rời nước dưới đất có trong chúng

Nhiệm vụ của địa chất công trình không chỉ nghiên cứu, đánh giá các điều kiện địa

chất công trình, môi trường địa chất trước và trong khi xây dựng mà còn dự báo những

biến đổi về điều kiện địa chất công trình trong quá trình khai thác và sử dụng công trình,

đặc biệt là những tai biến địa chất (sụt, lún, sạt trượt đất đá, động đất, .) và đề ra các giải pháp

khắc phục các điều kiện địa chất công trình bất lợi Ngoài các nhiệm vụ trên, trong một số

trường hợp, địa chất công trình còn xác định khả năng cung cấp nguồn vật liệu xây dựng tự

nhiên và biện pháp khai thác chúng

Như vậy, khoáng vật có thể là những hợp chất hoá học tự nhiên hay chỉ là các nguyên

tố tự sinh Phần lớn các khoáng vật là những vật kết tinh cứng và là thành phần chủ yếu

của đất đá

Kích thước của khoáng vật có thể rất khác nhau Có những khoáng vật có trọng lượng đến vài tấn (như fenspat, thạch anh) nhưng cũng có những khoáng vật chỉ là những hạt

rất nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy được

Nhiều khoáng vật có những tên gọi khác nhau và những biến thể Những biến thể này sinh ra do sự thay đổi màu sắc khoáng vật hay thành phần của chúng Hiện nay người ta

biết trên 2.500 khoáng vật và trên 4.000 biến thể của chúng Trong đó có 450 khoáng vật

thường gặp trong tự nhiên Trong thành phần đất đá thường gặp khoảng 50 khoáng vật

Các khoáng vật này được gọi là khoáng vật tạo đất đá

Khoáng vật có một giá trị thực dụng hết sức to lớn Tất cả các ngành kinh tế quốc dân

đêu sử dụng các khoáng sản có ích Các khoáng sản này đều do khoáng vật tạo nên

Thành phần khoáng vật là yếu tố quan trọng nhất quyết định các tính chất và tinh nang

xây dựng của đất đá

1.2 Các quá trình thành tạo khoáng vật

Các quá trình thành tạo khoáng vật có thể chia ra ba nhóm:

Quá trình nội động lực xảy ra trong vỏ quả đất bởi năng lượng bên trong của nó, như hoạt động thành tạo macma Macma là những khối silicat nóng chảy có thành phần phức

tạp, phun trào từ những vùng sâu của vỏ quả đất Khi macma nguội, nhiệt độ của chúng

giảm xuống sẽ thành tạo những khoáng vật khác nhau Những khoáng vật này (như

fenspat, pirit, pirocxen, olivin,v.v .) là thành phần chính của đá mác ma

Quá trình ngoại động lực xảy ra trên bề mặt vỏ quả đất dưới tác dụng của năng lượng mặt trời như quá trình phong hoá đất đá, quá trình kết tủa các trầm tích hoá học từ dung

dịch, quá trình hoạt động của sinh vật, v.v Các khoáng vật được thành tạo bởi quá trình

này là thành phần chính của đất đá trầm tích

10

Quá trình biến chất xảy ra chủ yếu dưới tác dụng của áp suất lớn, nhiệt độ cao ở

những độ sâu khác nhau trong vỏ quả đất Dưới tác dụng của quá trình này khoáng vật

có từ trước biến đổi để tạo thành các khoáng vật mới - khoáng vật của đá biến chất

Như vậy, các khoáng vật được thành tạo trong các quá trình trên sẽ có những nguồn

gốc khác nhau: macma, trầm tích, biến chất Tuy nhiên, trong thực tế các quá trình thành

tạo khoáng vật liên quan chặt chẽ với nhau và có những khoáng vật có quá trình thành

tạo rất phức tạp

1.3 Cấu trúc khoáng vật

Trong thiên nhiên, ngoài các khoáng vật ở trạng thái rắn còn có các khoáng vật ở

trạng thái lỏng (thuỷ ngân, nước, dầu hoả,vv ) và các khoáng vật ở dạng khí (khí

cacbonic, sunfuahidrô, v.v )

Các khoáng vật có thể gặp dưới dạng tỉnh thể kết tỉnh, có hình dạng rõ ràng gồm

nhiều mặt(h.1.1.a), hay dưới dạng hạt tinh thể không có hình dạng rõ ràng(hình 1.1 b)

Các khoáng vật này đặc trưng bằng cấu trúc kết tinh (tinh thể) Ngoài các khoáng vật có

cấu trúc kết tỉnh có những khoáng vật có cấu trúc không định hình như atfan

Hình 1.1 Tinh thể thạch anh(a) va tinh thé mahetit (b)

Hình dáng nhiều mặt của các khoáng vật rắn gây nên do sự phân bố một cách có qui

luật trong không gian các phần tử tạo nên chúng: các nguyên tử, các ion, các phân tử Sự

phân bố trong không gian của các phần tử này đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của các

khoáng vật

Trong khoáng vật các nguyên tử và ion sắp xếp một cách có qui luật để hình thành

cấu trúc nhất định bên trong chúng Các nguyên tử hay ion kề nhau trong khung mạng

tinh thể có mối liên kết hoá học với nhau

11

Có hai kiểu liên kết đặc biệt quan trọng đối với các khoáng vật tao ra đất đá Liên kết

ion được hình thành khi một nguyên tử của một nguyên tố nhường cho nguyên tử một nguyên tố khác một hoặc nhiều điện tử (ví dụ trong cấu trúc của khoáng vật Halit NaCl,

vỏ bọc ngoài của Na! nhường một điện tử cho vỏ ngoài của CT để vỏ bọc của chúng đều

có 8 điện tử) Liên kết đồng hoá trị là liên kết giữa các nguyên tố không có khả năng

nhường hoặc lấy điện tử, trong đó có một số điện tử trở thành của chung giữa các

nguyên tử để hoàn chỉnh lớp vỏ bọc ngoài (Ví dụ liên kết các nguyên tử của các khoáng

vat CH,, H,O)

Kiểu liên kết giữa các phần tử trong khoáng vật có ảnh hưởng lớn đến tính chất của

khoáng vật Ví dụ, kim cương và than chì có cùng thành phần hoá học là cacbon nhưng

cấu trúc của chúng hoàn toàn khác nhau Trong than chì một nguyên tử liên kết với ba

nguyên tử lân cận và chúng đều nằm trong cùng một mặt phẳng(hình1.2.a) Kiểu kiến

trúc lỏng lẻo này làm cho than chì có cường độ rất thấp Ngược lại, trong cấu trúc của

kim cương các nguyên tử cacbon liên kết với nhau tạo thành khung ba chiều - một

nguyên tử liên kết chặt chẽ với bốn nguyên tử kể cận xung quanh (hình1.2.b).Kiểu kiến

trúc chặt chế này làm cho kim cương có độ cứng lớn nhất trong các khoáng vật

a) b)

Hình 1.2 Sơ đô cấu trúc của than chì (a) và kim cương (b)

1.4 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CÁC KHOÁNG VẬT

Mỗi một khoáng vật đều được đặc trưng bởi một thành phần hoá học nhất định Có một số khoáng vật có thành phần hóa học giống nhau nhưng lại có cấu trúc khác nhau và

vì vậy, chúng cũng có hình dáng bên ngoaì khác nhau, như trường hợp kim cương và

than chì đã nêu ở trên

Thành phần hoá học các khoáng vật kết tỉnh được biểu diễn bằng công thức cấu tạo

Các công thức này cho thấy sự tương quan định lượng giữa các nguyên tố và đặc tính

liên kết giữa chúng trong các mạng kiến trúc tỉnh thể, ví dụ, công thức cấu tạo của

khoáng vật Caolinnit, Al, {Si,O,)} (OH),; agit - Ca(Mg, Fe, Al){(Si, Al),O,} Công thức

hoá học của các khoáng vật không định hình phản ánh quan hệ định lượng giữa các

nguyên tố cấu tạo nên các khoáng vật đó

12

Trong thành phần của nhiều khoáng vật có chứa nước dưới dạng phân tử Các phân tử

nước này không tham gia vào cấu trúc mạng tinh thể Nước liên kết hoá học dưới dạng

(OH} tham gia vào cấu trúc mạng tinh thể Các khoáng CaSO, 2H;O, Ca(OH); là những

ví dụ về sự tồn tại nước liên kết hoá học trong chúng í

1.5 Tính chất lý học các khoáng vật

Mỗi một khoáng vật có một số tính chất lý học nhất định Tính chất lý học của khoáng

vật có ý nghĩa thực tiễn rất lớn và rất quan trọng để nhận biết chúng Các tính chất vật lý

chính đó là: hình dáng, các đặc tính quang học, độ cứng, tính cát khai, tỉ trọng

Hình dáng bên ngoài của các khoáng vật rất khác nhau.Trong điều kiện tự nhiên, phụ

thuộc vào điều kiện thành tạo, các khoáng vật thường không có hình dáng thường qui

Trong khi đấy tỉnh thể của các khoáng vật có thể có các dạng khác nhau: một phương,

hai phương, ba phương (hình1.3)

ee

Hình 1.3 Sơ đồ hình dạng tỉnh thể các khoáng vật a- Dạng một phương; b- Dạng hai phương; c- Dạng ba phương

Màu các khoáng vật rất đa dạng Phần lớn các khoáng vật có một màu nhất định nào

đó, có một số khoáng vật, phụ thuộc vào tạp chất chứa trong chúng có những màu khác

nhau Ví dụ, thạch anh tinh khiết không màu, thạch anh có chứa tạp chất có thể có màu

trắng, xám , vàng, tím, đen

Độ trong suốt là khả năng các khoáng vật để ánh sáng xuyên qua Theo độ trong suốt

có thể chia làm 3 nhóm khoáng vật: Trong suốt (Khoáng vật thạch anh, muxcovit vv ),

nửa trong suốt (khoáng vật thạch cao, khanxedon, vv ), không trong suốt (khoáng vật

pirit, than chì, v.v )

Ánh khoáng vật là khả năng mặt khoáng vật phản xạ ánh sáng, ánh các khoáng vật có

thể là ánh thuỷ tinh, ánh tơ, ánh xà cừ, ánh mỡ, ánh kim loại

Độ cứng - Khả năng khoáng vật chống lại tác dụng cơ học bên ngoài lên chúng Mỗi

một khoáng vật có độ cứng nhất định Phụ thuộc vào phương pháp xác định chia ra: độ

cứng tương đối và độ cứng tuyệt đối

Độ cứng tương đối của khoáng vật được xác định bằng cách so sánh với độ cứng các khoáng vật trong bảng độ cứng tương đối MOHS 10 cấp (bảng 1.1) Trong đó khoáng vật tank là khoáng vật mềm nhất có độ cứng 1 và khoáng vật cứng nhất là kim cương với độ

Độ cứng tuyệt đối của khoáng vật được xác định bằng máy Ví dụ, độ cứng tuyệt đối của

tank là 2,4 kG/mrỷ, trong khi đó độ cứng kim cương lớn hơn gấp 4000 lần (10.060 kG/mm’)

Tính cát khai còn được gọi là tính dễ tách - là khả năng các khoáng vật nứt hoặc tách

ra theo những hướng nhất định và tạo ra các mặt nhất định khi có ngoại lực tác động Tính chất này phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của tinh thể và đối với các khoáng vật khác nhau rất khác nhau Ví dụ mica đễ dàng tách ra thành những phiến mỏng nhưng limônit lại hoàn toàn không cát khai

Tỉ trọng của các khoáng vật rất khác nhau và dao động trong khoảng 0,6 đến

18 +19 Tỉ trọng phổ biến của các khoáng vật dao động trong khoảng 2,5 đến 3,0 (bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tỷ trọng một số khoáng vật quan trọng nhất của đất đá

(Theo E.S Lasera và H Berman)

2 PHAN LOAI VA ĐẶC TÍNH MỘT SỐ LỚP KHOÁNG VẬT CHỦ YẾU

2.1 Phân loại

Cơ sở phân loại các khoáng vật là thành phần hoá học và cấu trúc bên trong của

chúng Dựa vào cơ sở này các khoáng vật được chia ra 10 lớp sau:

2.2.1 Lớp silicat bao gồm đến 800 khoáng vật, chiếm khoảng 75% khối lượng vỏ

quả đất và là thành phần chủ yếu của đá macma và biến chất Chúng, chủ yếu được tạo

thành bởi quá trình nội động lực.Theo thành phần và cấu trúc lớp silicat chia ra các

nhóm: Fenspat, pirocxen, amphibol, mica, ôlivin, tank, clorit, các khoáng vật sét Theo

thành phần tất cả các nhóm khoáng vật này đều là silicat nhôm

2.2.2 Lớp cacbonat bao gồm 80 khoáng vật Phổ biến là các khoáng vật

canxit(CaCO,), magiezit(MgCO,), đolomit (CaCO; MgCO,) Nguồn gốc của chúng, chủ

yếu là ngoại động lực và có liên quan với các dung dịch nước Khi tiếp xúc với nước

chúng giảm bớt độ bên cơ học và cùng với các tác nhân khác nước làm cho chúng bị hoà

tan, rửa lũa

2.2.3 Lớp oxit và hiđrôxit Hai lớp này có khoảng 200 khoáng vật chiếm khoảng

17% khối lượng vỏ quả đất Phân bố nhiều nhất là các khoáng vật thạch anh(SiO,), opan

(SiO, nH,O), Limonit (Fe;O.nH;O)

2.2.4 Lớp sunƒat có đến 260 khoáng vật Nguồn gốc thành tạo của chúng liên quan

với các dung dịch nước Các khoáng vật sunfat đặc trưng bởi độ cứng không lớn, màu

sáng Chúng hoà tan tương đối tốt trong nước Các khoáng vật phổ biến nhất là thạch cao

(CaSO,.nH,O) và anhiđrit(CaSO,) Khi tiếp xúc với nước anhiđrit hút nước, biến thành

thạch cao và có thể tăng thể tích lên đến 33%

2.2.5 Lép sunfua g6m 200 khoáng vật, tiêu biểu là khoáng vật pirit (FeS,) Các

sunfua trong đới phong hoá bị phá huỷ dễ dàng, vì vậy các vật liệu xây dựng chứa chúng

thường có chất lượng kém

2.2.6 Lớp halogen có khoảng 100 khoáng vật Nguồn gốc thành tạo của chúng, chủ

yếu liên quan với các dung dịch nước Phổ biến nhất là khoáng vật Halit (NaCl) Các

khoáng vật lớp này dễ hoà tan trong nước

Khoáng vật các lớp photphat, vonfram, các nguyên tố tự sinh trong tự nhiên gặp

tương đối ít

15

Trong bảng 1.3 nêu lên thành phần khoáng vật của các loại đất đá va tính chất đặc

trưng của các lớp khoáng vật tiêu biểu

Bảng 1.3 Các lớp khoáng vật tiêu biểu

Tan, Clorit, Sét

tích

anhidrit kết hợp với nước

liên kết hoá học Đó là liên kết đồng hoá trị, liên kết ion Các thành phân của đất được

liên kết với nhau bằng mối liên kết vật lý: liên kết phân tử, mao dẫn, từ tính, ion - tinh điện Vì vậy mối liên kết này không được bền vững, yếu và kém chặt chẽ hơn rất nhiều

so với mối liên kết hoá học

Nếu đất đá được cấu tạo từ một loại khoáng vật thì chúng được gọi là đất đá đơn khoáng và tên của các đất đá này là tên các khoáng vật tạo nên chúng Ví dụ như các đá thạch cao, anhiđrit,vv Phổ biến hơn là đất đá đa khoáng, chúng được cấu tạo từ nhiều khoáng vật, như đá granit gồm các khoáng vật fensfat, thạch anh, mica,

16

Đc kh

Trong thực tế xây dựng, nền và môi trường đất đá của các công trình xây dựng có thể

chỉ do đất hoặc đá tạo ra Nhưng nhiều trường hợp chúng có thể được tạo ra do sự kết

hợp của nhiều loại đất và đá khác nhau, làm cho điều kiện xây dựng của chúng trở nên

rất phức tạp

Tính năng xây dựng của đất đá phụ thuộc vào các yếu tố bên trong và bên ngoài của

chúng, như: nguồn gốc, điều kiện thành tạo, thành phần, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm, v.v

3.2 Nguồn gốc và điều kiện thành tạo của đất đá

Trong tự nhiên có gần 1.000 loại đất đá khác nhau Các loại đất đá này có nguồn gốc

khác nhau Theo nguồn gốc chúng được chia ra 3 loại sau: đá macma, đất đá trầm tích

và đá biến chất Trong vỏ quả đất đá macma và biến chất chiếm 95% khối lượng của

nó Đất đá trầm tích chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ quả đất nhưng chiếm đến 75%

diện tích bể mặt vỏ quả đất Đất đá trầm tích thường phân bố trên mặt đất và phủ lên

trên đá macma và đá biến chất

3.2.1 Đá macma được thành tạo từ macma Macma là những khối silicat nóng chảy,

có nhiệt độ 2000 + 3000°C, thành phần phức tạp, được phun lên từ độ sâu lớn của vỏ quả

đất Macma nguội lạnh trong vỏ quả đất tạo ra đá macma xâm nhập Nếu macma phun

trào lên trên vỏ quả đất sẽ tạo ra đá macma phún xuất Quá trình tạo đá macma là quá

trình nội động lực

3.2.2 Đất đá trầm tích được thành tạo từ các trầm tích khác nhau trên bề mặt của vỏ

quả đất bởi các quá trình ngoại động lực Các trầm tích này được tích tụ và biến đổi từ

các quá trình khác nhau hoặc do sự kết hợp giữa các quá trình đó Phụ thuộc vào các quá

trình này đất đá trầm tích chia ra: trầm tích cơ học, hoá học, hữu cơ và trầm tích hỗn

hợp (xem mục 5.2)

3.3.3 Đá biến chất khác với các loại đất đá đá kể trên, được thành tạo từ các loại đất

đá có từ trước(đá macma, đất đá trầm tích) bởi quá trình biến chất Quá trình biến chất là

quá trình tác động mãnh liệt của áp suất lớn, nhiệt độ cao vào các đất đá có từ trước

Quá trình này làm cho đất đá nguyên sinh biến đổi hoàn toàn về thành phần, cấu trúc và

thành tạo nên đá biến chất Phụ thuộc vào điều kiện thành tạo đá biến chất chia ra: đá

biến chất tiếp xúc, khu vực và động lực (xem mục 6.2)

Điều kiện thành tạo mỗi loại đất đá nêu trên cũng rất đa dạng Theo nguồn gốc và

điều kiện thành tạo ba loại đất đá trên được phân ra các loại khác nhau và được thể hiện

trong bang 1.4

Tính chất và tính năng xây dựng của các loại đất đá này sẽ được trình bày cụ thể

trong các mục 4, 5, 6 của chương này

Bảng 1.4 Phân loại đất đá theo điều kiện thành tạo

| mác mác tích tích tích tích biến biến biến

ma ma cơ hoá hữu hỗn chất chất chất

3.3 Thành phần của đất đá

Trong đất đá, đặc biệt là đất có thể có nhiều thành phần vật chất ở những trạng thái

khác nhau: trạng thái rắn, lỏng, khí (hình 1.5) Ngoài ra, trong đất đá có thể còn có một

lượng vật chất hữu cơ và sinh vật nhất định Trạng thái, tính chất và chất lượng của đất

đá phụ thuộc rất lớn vào các thành phần vật chất này

Hình 1.5 Mô hình ba pha của đất đá

1 Pha khí: Không khí, hơi nước; 2 Pha lỏng: Nước, các muối hoà tan;

3 Pha rắn: vụn đá, hạt khoáng vật, vật chất hữu cơ

3.3.1 Thành phần rắn Thành phần rắn bao gồm các vật chất rắn tạo nên đất đá Đó là các khoáng vật có cấu

trúc tỉnh thể, thành phần, tính chất rất đa dạng Thành phân này đã được phân tích trong

mục l của chương này

3.3.2 Thành phần nước Thành phần nước trong đất đá bao gồm nước ở các trạng thái khác nhau: hơi nước,

nước liên kết vật lý, nước mao dan, nước liên kết hóa học, nước ở trạng thái rắn

18

vAY

1- Hạt đất đá; 2- Phân tử nước ở dạng hơi;

3- Ranh giới giữa khí quyển và thạch quyển a- Hạt đất với nước hấp phụ (liên kết chặt)

không hoàn toàn;

b- Hạt đất với nước hấp phụ cực đại;

c và d- Các hạt đất với nước màng mỏng

(liên kết yếu) có độ dày khác nhan;

e- Hạt với nước màng mỏng và nước trọng lực;

#- Nước mao dẫn; g- Nước trạng thái lỏng

3.3.2.1 Nước ở trạng thái hơi

Nước ở trạng thái hơi lấp đầy các phần lỗ hổng và khe nứt rỗng Hơi nước rất dễ di chuyển Trong lỗ hổng của đất đá, chúng vận động từ nơi có áp suất lớn đến nơi có áp

suất nhỏ hay nói cách khác đi từ nơi có độ ẩm lớn đến nơi có độ ẩm nhỏ hơn

Hơi nước trong các lỗ hổng của đất đá và hơi nước trong khí quyển tạo thành một hệ thống cân bằng động, nghĩa là chúng có thể vận động từ khí quyển vào các lỗ rỗng của

đất đá hoặc ngược lại

3.3.2.2 Nước liên kết vật lý

Nước liên kết vật lý là dạng nước tồn tại ngay trên bề mặt hạt dưới tác dụng lực liên

kết giữa các phân tử nước với các hạt đất đá

Nước liên kết vật lý có những đặc tính sau: tỉ trọng trung bình là 2, vận động chậm chạp hơn rất nhiều so với nước tự do; nước liên kết vật lý bị giữ trên bề mặt các hạt cứng bởi những lực liên kết lớn hơn trọng lực

Nước liên kết vật lý đặc trưng cho đất loại sét; trong đá cứng và đất đá rời rạc chúng không có ý nghĩa thực tế Nước liên kết vật lý chia ra: nước liên kết chặt và nước liên kết yếu

19

Nước liên kết chặt (nước hấp phụ) được thành tạo do sự hấp phụ các phân tử nước trên bề mặt của các hạt cứng, tạo thành một lớp rất mỏng sát ngay trên bề mặt các hạt Lớp này có chiều dày từ 11 + 23 phân tử

Nước liên kết chặt chỉ dịch chuyển khi biến sang thể hơi Thực vật không hút được

nước liên kết chặt từ các hạt

Trong đất hạt mịn, nước liên kết chặt chiếm đến 15% +18%, hạt thô là 5% so với

khối lượng hạt rắn của đất đá [23]

Nước liên kết yếu (nước màng mỏng): phân bố ngay trên lớp nước liên kết chặt bằng mối liên kết phân tử Vì vậy lực liên kết giữa các phân tử nước và bể mặt hạt yếu đi

nhiều và cây cối có thể hấp thụ được loại nước này

Nước liên kết yếu tồn tại trong đất đá khi độ ẩm trong đất đá lớn hơn độ ẩm hấp phụ lớn nhất Khi các hạt có bể dày nước màng mỏng khác nhau tiếp xúc với nhau thì nước màng mỏng có thể dịch chuyển một cách chậm chạp từ nơi có màng dày đến nơi có màng mỏng hơn

Lượng nước màng mỏng trong đất phụ thuộc vào thành phần hạt, thành phần khoáng vật của chúng Ứng với độ ẩm phân tử lớn nhất, trong cát lượng nước màng mỏng đạt

1+7%, pha cát từ 9 +13%, pha sét từ 15+23%, sét từ 25+40% [23]

Nước màng mỏng không di chuyển dưới tác dụng của trọng lực vì lực hút phân tử lớn

hơn trọng lực Nước màng mỏng cũng không truyền áp lực thuỷ tĩnh được vì nó không

lấp đầy các lỗ hổng của đất đá

Khi chiều dày màng mỏng bao quanh hạt tăng lên đến một giới hạn nhất định thì mang mỏng của nước bị trọng lực tác động, kéo xuống phía dưới để tạo thành nước trọng lực (nước trạng thái lỏng)

Sự có mặt nước liên kết yếu trong đất loại sét làm cho chúng có một số tính chất đặc

biệt: tính dẻo, tính dính, tính trương nở, lún

3.3.2.3 Nước mao dẫn

Nước mao dẫn là nước chứa trong các lỗ hổng và các khe rãnh mao dẫn Nước mao

dẫn được chứa giữ và dịch chuyển trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá chủ yếu do tác dụng của lực mao dẫn phát sinh ở phần tiếp xúc giữa nước với không khí trong đất

đá Tuỳ thuộc vào quan hệ giữa nước mao dẫn và nước ngầm, A.F Lêbêđep chia ra: nước

mao dẫn treo và mao dẫn dâng Ngoài ra phụ thuộc vào vị trí nước mao dẫn đối với các hạt đất mà dạng nước này còn chia ra nước mao dẫn góc và nước mao dẫn bao quanh hạt

Nước mao dẫn treo không liên hệ với mực nước ngầm Nó thường được tạo thành ở phần trên của đới thông khí từ nước mưa khi độ ẩm của đất đá vượt quá độ ẩm phân tử

cực đại Đôi khi nước mao dẫn treo được thành tạo ở phần dưới của đất đá hạt nhỏ nằm lót dưới đất đá hạt thô hơn

20

Khi quá trình bốc hơi kéo dài nước mao dẫn treo có thể hoàn toàn khô kiệt Thực vật

dễ dàng hấp thụ dạng nước này

Nước mao dẫn dâng phân bố phía trên mặt nước ngầm Nó được dâng lên trong các

khe lỗ mao dẫn do tác dụng của sức căng bề mặt Chiều dày lớp nước mao dẫn dâng có

thể biến đổi từ 0 (trong cuội sỏi) đến 4 + 5 m (trong đất loại sét) Do nước mao dẫn dâng

liên hệ thuỷ lực với mực nước ngầm nên mặt lớp nước mao dẫn dâng dao động theo sự

dao động của mực nước ngầm

Nước mao dẫn góc chủ yếu được thành tạo trong các góc của các lỗ rỗng gần chỗ

tiếp xúc của các hạt đất đá Nó được giữ rất chặt bằng các lực mao dẫn, không truyền áp

lực thuỷ tĩnh, không vận động vào trong các hạt đất đá

Nước mao dẫn bao quanh được thành tạo chủ yếu trong đất cát, chiếm giữ tất cả

những khoảng trống nằm sát các hạt Ở trung tâm các lỗ có các bọt khí

3.3.2.4 Nước trọng lực

Nước trọng lực (nước lỏng) được thành tạo trong đất đá khi độ ẩm của chúng lớn hơn

độ ẩm phân tử tối đa hay khi các lỗ hồng đất đá bão hoà nước

Vận động của nước trọng lực diễn ra chủ yếu dưới tác dụng của trọng lực và của

građien áp lực, ở mức độ ít hơn, dưới tác dụng của lực mao dẫn Nước trọng lực còn

được gọi là nước tự do có khả năng truyền áp lực thuỷ tĩnh

Khi vận động trong đất đá nước trạng thái lỏng có những tác dụng khác nhau lên

chúng Nó có thể phá huỷ cơ học, hoà tan và rửa lũa đất đá

Nước lỏng được thành tạo ở phần trên của vỏ quả đất Vận động của nước lỏng trong

đất đá có thể chia làm 2 dạng: ngấm và thấm Khi chỉ một phần các lỗ rỗng của đất đá chứa

đầy nước và nước chỉ vận động qua các lỗ rỗng đó thôi thì vận động của chúng được gọi là

ngấm Yếu tố chủ yếu sinh ra dạng vận động này là trọng lực và lực mao dẫn

Quá trình thấm xảy ra trên những diện rộng với dòng thấm lớn; lúc đó tất cả các lỗ

rỗng của tầng đất đá đều bão hoà nước và nước thấm dưới tác dụng của áp luc mao dan,

građien áp lực và trọng lực

Nước trọng lực phân bố rộng rãi trong đới bão hoà và là đối tượng chủ yếu trong

nghiên cứu địa chất thuỷ văn công trình

3.3.2.5 Nước ở trạng thái rắn

Khi nhiệt độ đất đá, nước thấp dưới 0° nước trọng lực và một phần nước liên kết đóng

băng biến thành nước ở trang thái rấn Khi đất đá và nước trong chúng bị đóng băng,

tính chất cơ lý của chúng bị thay đổi

3.3.2.6 Nước liên kết hoá học

Nước liên kết hoá học (nước trong các mạng tinh thể các khoáng vật): có thể chia

thành 2 kiểu: nước kết cấu và nước kết tinh

Nước kết cấu còn gọi là nước liên kết hoá học tham gia vào mạng tỉnh thể các khoáng vật dưới dạng các ion OH hoặc H,O' Nó được tách ra khỏi mạng tỉnh thể khi nung nóng khoáng vật đến nhiệt độ từ 300°C + 1.300°C và khi mạng tinh thể hoàn toàn bị phá huỷ Các khoáng vật chứa nước kiểu này như: diaspo AIO(OH), topaz Al;(OH);SiO;, các khoáng vật hiđrôxit Al,(OH);, Ca(OH);

Nước kết tinh là nước nằm trong mạng tỉnh thể các khoáng vật dưới dạng phân tử nước

H;O hoặc nhóm các phân tử nước Nó có thể tách ra khỏi khoáng vật khi nung nóng chúng

đến nhiệt độ 250°C + 300% Ví dụ về một số khoáng vật chứa kiểu nước này là xôđa- Na,CO,.10H,O, mirabilit-Na,SO,.10H,O, bisophit Mgel;.6H;O, thạch cao - CaSO,.2H,O nước kết tỉnh trong các khoáng vật này chứa đến 21 + 63% khối lượng của chúng

3.3.3 Thành phần khí Pha khí trong đất đá bao gồm các khí, như;O;, CO;, N,, CH,, H,S, H,.Các khí này

thường có nguồn gốc khí quyển, sinh vật và trong nhiều trường hợp tạo nên những túi khí có khối lượng rất lớn, những mỏ khí Sự có mặt của chúng thường được khảo sát, đánh giá kỹ khi thi công các công trình ngầm, các công trình khai thác mỏ

3.4 Kiến trúc của đất đá Kiến trúc của đất đá là khái niệm tổng hợp về các yếu tố, như: kích thước, hình dạng,

tỉ lệ định lượng giữa các thành phần khoáng vật, mức độ kết tinh và dạng liên kết của chúng trong đất đá Mỗi một loại đất đá có một kiểu kiến trúc nhất định

Kiến trúc của đá macma đặc trưng bởi mức độ kết tinh của các tinh thể tạo nên

chúng Phụ thuộc vào mức độ kết tinh, kích thước của tinh thể và trình độ hoàn thiện của cdc mat tinh thể kiến trúc của đá macma chia ra: Kiến trúc toàn tinh(dạng hạt); kiến trúc

nửa kết tinh(pocfia); kiến trúc vi tỉnh; kiến trúc thủy tinh(hình 1.7)

- Kiến trúc toàn tỉnh: Kiểu kiến trúc này đặc trưng bởi các hạt khoáng vật tạo nên đá

có kích thước đủ lớn để có thể nhìn rõ bằng mắt thường, có đây đủ các mặt giới hạn

- Kiến trúc nửa kết tinh được tạo thành do sự kết hợp giữa các tinh thể kết tỉnh và các tỉnh thể không kết tỉnh, không định hình

- Kiến trúc vi tỉnh đặc trưng bởi mức độ kết tinh của các tinh thể ở mức độ thấp, các tinh thé khoáng vật có kích thước rất nhỏ, mắt thường không nhìn thấy được

- Kiến trúc thuỷ tỉnh, trình độ kết tỉnh các khoáng vật tạo nên đá bằng không

2

điện, ), tạo nên kiểu kiến trúc dính kết Trong đất hạt rời (cát, sỏi, cuội, ) các hạt rời

rạc, hầu như không liên kết với nhau Kiểu kiến trúc này được gọi là kiến trúc rời rạc

Hình 1.8 Đất đá trầm tích với các kiểu kiến trúc khác nhau

a) Gắn kết; b) dính kết; c) Roi rac

Dưới tác dụng của quá trình biến chất các khoáng vật tạo nên chúng có thể lại tái kết

tỉnh Vì vậy, kiến trúc đá biến chất đặc trưng bởi mức độ tái kết tỉnh của các khoáng vật

tạo nên chúng Kiến trúc của chúng thường là kiểu biến tinh, minôlit,vây

Kiến trúc vảy là kiểu kiến trúc của đá biến chất được tạo ra bởi các khoáng vật có

dạng vảy Trong các đá này các khoáng vật dạng vảy liên kết, sắp xếp song song với

nhau theo bề mặt vảy của các khoáng vật

Khi đất đá gốc bị nghiền nát, ép chặt và cùng với tác dụng của các hoạt chất hóa học tạo ra kiểu kiến trúc minôlit (hình 1.9)

Hình 1.9 Kiến trúc minolit của đá biến chất, dăm kết kiến tạo

23

bố trong không gian của các thành phần tạo nên chúng Cũng như đối với kiến trúc mỗi

loại đất đá có một kiểu cấu tạo nhất định đặc trưng cho chúng Các kiểu cấu tạo thường

Cấu tạo đặc xít đặc trưng cho tính đồng nhất về sự phân bố các thành phần khoáng

vật khác nhau có trong đá Với kiểu cấu tạo này các khoáng vật với thành phần khác

nhau phân tán đều đặn, liên kết chặt chẽ với nhau trong toàn bộ khối đá (hình 1.1 1)

Hình 1.11 Khối đá macma có cấu tạo đặc xít Hình 1.12 Khối đá biến chất có cấu tạo dải

Cấu tạo dải đặc trưng cho tính không đồng nhất về thành phân khoáng vật của khối

đá Trong trường hợp này đá được cấu tạo tuần tự bởi các dải khoáng vật với thành phần

khác nhau (hình 1.12)

Cấu tạo phiến đặc trưng cho tính dị hướng lớn của đá Các phiến đá sắp xếp song

song với nhau (hình 1.13)

24

Hình 1.13 Đá biến chất có cấu tạo phiến Trong từng phiến các khoáng vật dạng tấm, vảy, kim sắp xếp song song với nhau và

song song với bề mặ phiến Với cấu tạo này các tính chất của đá như cường độ, tính

thấm, theo các phương khác nhau sẽ rất khác nhau và nền đá dễ bị phá hoại theo bề

mặt phân phiến của đá

Cấu tạo rỗng là cấu tạo đặc trưng bởi sự có mặt các lỗ rỗng trong đất đá Chỉ có một

số ít đá mac ma phún xuất có cấu tạo rống(bazan, tup nui lửa, hình 1.14) Trong khi đấy

tất cả các loại đất đều có câú tạo rỗng (hình 1.15) Cấu tạo rỗng làm cho tính thấm nước,

chứa nước của đất đá tăng lên và độ bền, khả năng chịu tải của đất đá giảm xuống

Kiểu thế nằm của đất đá cho ta khái niệm về hình dạng, kích thước, vị trí tương đối

của chúng trong không gian và quan hệ tiếp xúc giữa các khối đất đá với môi trường

xung quanh Phụ thuộc vào điều kiện thành tạo và biến đổi, đất đá có những kiểu thế

nằm rất khác nhau Nếu như kiến trúc và cấu tạo của đất đá là những yếu tố bên trong

quyết định tính chất cơ, lý, nước của bản thể đất đá thì thế nằm của chúng là yếu tố bên

25

ngoài cho ta biết về mức độ đồng nhất và biến đổi của các tinh chất này Cũng như kiến

trúc và cấu tạo, thế nằm của các loại đất đá có thể gồm các kiểu khác nhau: khối, phân

a- Kiểu khối; b- Kiểu phân lớp; c- Kiểu thấu kính

- Kiểu khối đặc trưng bởi tính đồng nhất tương đối vẻ thành phân của đất đá trong

toàn khối đất đá (hình 1.17)

Hình 1.17 Thế nằm kiểu khối của núi đá vôi

- Kiểu phân lớp đặc trưng bởi tính không đồng nhất, phân lớp của đất đá Trong thực

tế các lớp này có thể có độ nghiêng khác nhau so với mặt phảng nằm ngang (hình 1.18)

- Kiểu thấu kính: khối đất đá có kích thước hạn chế, có thành phần hoàn toàn khác

với môi trường đất đá bao quanh nó

3.6.2 Các yếu tố thế nằm của vỉa đất đá

Khi điều tra nghiên cứu điều kiện địa chất công trình cần thiết phải xác định vị trí

trong không gian của các vỉa đất đá Để xác định vị trí các vỉa trong không gian phải

biết các yếu tố thế nằm của các vỉa: góc phương vị đường phương, đường hướng dốc,

góc đổ (hình 1.19)

Hình 1.19 Các yếu tố thế nằm của vỉa hình chiếu đường hướng đốc lên mặt phẳng nằm ngang

M - Mặt vỉa; 1- Đường phương; 2- Đường hướng dốc; œ- Góc đổ;

Đường phương của vỉa là đường cắt nhau giữa mặt phân vỉa đất đá với mặt phẳng

nằm ngang

Góc phương vị đường phương là góc tạo bởi phía bắc đường kinh tuyến và đường

phương Góc phương vị đường phương có hai giá trị chênh nhau 180°

Đường hướng dốc là đường thẳng góc với đường phương về phía giảm cao độ của

mái vỉa

Góc phương vị đường hướng dốc là góc tạo bởi phía bắc đường kinh tuyến với hình

chiếu của đường hướng dốc lên mặt phẳng nằm ngang

Góc đổ hay góc dốc của vỉa là góc hợp bởi đường hướng dốc và hình chiếu cảu nó

trên mặt phẳng nằm ngang Góc phương vị và góc đổ của vỉa được xác định bằng địa bàn

địa chất và được thể hiện lên các loại bản đồ địa chất khác nhau

Việc xác định vị trí các lớp (vỉa) đất đá trong không gian cho phép xác định độ sâu,

độ dày, và đặc tính thế nằm của chúng; cho chúng ta khả năng chọn lựa các lớp để làm

nền cho công trình xây dựng và đánh giá khả năng sạt trượt đất đá, tiềm năng nước dưới

dat,v.v

4 ĐÁ MACMA

4.1 Quá trình thành tạo của đá macma

Đá macma được thành tạo do kết quả nguội lạnh, đông cứng các khối macma nóng chảy

Macma phun lên theo các khe rãnh trong vỏ quả đất và có thể bị đông cứng trong

lòng đất, hoặc trên mặt đất Theo điều kiện thành tạo đá macma chia ra: đá macma xâm

nhập và đá macma phún xuất (hình 1.20)

27

Điều kiện thành tạo đá macma xâm nhập và phún xuất khác nhau

Đá macma xâm nhập thành tạo dưới mặt đất, trong điều kiện áp suất, nhiệt độ lớn và khối macma nguội, đông cứng lại một cách từ từ, đều đặn Trong điều kiện như vậy hơi

nước và khí không thoát ra được, macma tạo thành các loại đá có cấu tạo dac xit, tinh

| thể các khoáng vật kết tinh một cách đầy đủ, như đá: xienit, điorit, gabro, dunit ,granit

(hình 1.21),

Hình1.2I Đá ma ma xâm nhập, duni(a), grani(b);

Đá macma phún xuất được tạo thành trên bề mặt địa hình Lúc này macma nguội nhanh trong điều kiện áp suất và nhiệt độ nhỏ hơn, khí và nhiệt độ trong nó toả ra nhanh

và mạnh, tạo ra các đá, như: liparit, andedit, điabad, bazan, riolit (hình 1.22a) Trong

trường hợp này có thể thành tạo các loại đá chứa thuỷ tỉnh núi lửa không định hình, đá

có cấu tạo rỗng (hình 1 22 b) Một số đá macma phún xuất có độ rỗng lớn, như: đá

28

Hình 1.22 Đá macma phún xuất, riolit(a); bazan(b) 4.2 Thành phần của đá macma

Thành phần khoáng vật của đá macma xâm nhập và phún xuất chủ yếu gồm các

khoáng vật rắn, như; fenspat (60%), thạch anh (12%), amphibol và pirocxen (17%),

mica (4%) Ngoài ra, còn một số khoáng vật khác như ziacon, turmalin, apatit Như

vậy, trong thành phần khoáng vật đá macma các khoáng vật có độ cứng lớn(độ cứng

tương đối từ 5,5 đến 7) chiếm đến 89% thành phần của chúng Đây là yếu tố đầu tiên

làm cho đá macma có cường độ cao, có khả năng chịu tải lớn so với các loại đá khác

Khoáng vật của đá macma được thành tạo bởi hầu hết các nguyên tố hoá học nhưng

chủ yếu là O, Si,AI, Fe, Ca, Mg, K, Na, H, Ti Trong đó lượng silic, được tính theo lượng

SiO, c6 trong đá - thay đổi từ 25% đến 85%

Phân loại đá macma theo hàm lượng SiO; có một ý nghĩa thực tế nhất định Khi lượng

SiO, giảm thì màu đá sãm dân, tỉ trọng tăng lên, nhiệt độ nóng chảy giảm xuống và đá

dễ đánh bóng hơn Theo hàm lượng SiO; đá macma chia làm các loại sau:

1) Đá axit, hàm lượng SiO, > 65%

2) Đá trung tính, hàm lượng SiO, = 65 + 52 %

3) Đá Bazo, ham luong SiO, = 52 + 40 %

4) Đá siêu Bazo, ham lượng SiO; < 40 %

4.3 Kiến trúc của đá macma

Trong đá macma các thành phần khoáng vật gắn kết với nhau bởi mối liên kết hóa

học rất bền, chắc Các tinh thể tạo nên đá macma có mức độ kết tinh, kích thước và trình

độ hoàn thiện của các mặt tỉnh thể khác nhau Do đá mac ma xâm nhập và đá macma

phún xuất thành tạo trong những điều kiện khác nhau nên chúng được đặc trưng bởi

những kiểu kiến trúc khác nhau

- Kiến trúc toàn tinh đặc trưng cho đá macma xâm nhập

- Kiến trúc nửa kết tinh đặc trưng cho đá macma xâm nhập nông

29

- Kiến trúc vi tỉnh đặc trưng cho đá macma phún xuất

- Kiến trúc thuỷ tinh, đặc trưng cho một số đá macma thành tạo trên mặt đất

4.4 Cấu tạo của đá macma Phụ thuộc vào điều kiện thành tạo đá macma có thể có cấu tạo đặc xít, dải, rỗng,

Cấu tạo đặc xít đặc trưng cho phần lớn các loại đá macma Chỉ có một số ít đá macma

phún xuất, như: đá bazan, túp núi lửa, có cấu tạo rỗng Cấu tạo rỗng của một số đá macma làm cho cường độ của đá giảm nhiều so với các đá có cấu tạo đặc xít, đồng thời làm cho khả năng thấm và chứa nước của chúng tăng lên Ngoài ra, đá macma cũng có thể có cấu tạo dải, trong đó các khoáng vật có thành phần hoặc kiến trúc giống nhau phân bố theo những dải riêng rẽ

4.5 Dạng thế nằm đá mác ma

Đá macma có kiểu thế nằm khối, tuy nhiên phụ thuộc vào điều kiện thành tạo đá

macma có thể có các dạng thế nằm khác nhau (xem hình 1.20)

Đá macma xâm nhập có các dạng thế nằm nền, bướu, nấm và mạch

- Dạng nền có chiều rộng hàng chục kilomet, chiều dài hàng trăm kilomet và phân bố đến những độ sâu hàng chục kilomet trong vỏ quả đất;

- Dạng bướu là những nhánh của dạng nền có dạng hình bướu;

- Dạng nấm đó là những khối đá xâm nhập có dạng hình nấm, nhiều khi có nhiều tầng xen kẹp với đá biến chất;

- Dạng mạch - đó là những khe rãnh chứa đây đá macma xâm nhập

Các dạng thế nằm đá phún xuất thường gặp là: chóp, lớp phủ, dòng chảy

- Dạng chóp thường tạo ra các địa hình nâng cao như núi, đồi đá macma

- Dạng lớp phủ được tạo ra do macma phun trào bao phủ lên bề mặt địa hình, tạo ra

các thể địa chất có diện rất rộng nhưng chiều dày không lớn

- Dạng dòng chảy được hình thành khi dòng macma phun trào vào các thung lũng,

khe hẻm dốc

Như vậy, với các dạng thế nằm khác nhau đá macma kết hợp với các đất đá trầm tích,

đá biến chất làm cho bức tranh về điều kiện địa tầng của khu vực trở nên hết sức phức

thông thường về tính vững chắc sẵn có của chúng Tương tự, khi đánh giá tính chứa nước

30

của đá macma không thể chỉ dựa vào đặc điểm cấu tạo của chúng Trong điều kiện tự

nhiên đá macma thường bị các khe nứt phân cách, bị phong hoá, phá huỷ và biến đổi

chất lượng (hình 1.23 ) Trong một số đá macma phún xuất ngoài các khe nứt còn có các

lỗ hồng Vì vậy, để đánh giá đá macma làm nền cho các công trình cũng như để đánh

giá tính chứa nước, thấm nước của chúng, ngoài những tài liệu về thành phần, kiến trúc,

cấu tạo của đá chúng ta còn cần phải có các thông tin, tài liệu về trạng thái và các đặc

điểm khác của chúng trong điều kiện thực tế tự nhiên nữa

Hình 1.23 Núi đá mạc ma bị phong hóa

4.7 Dac tính các nhóm đá macma phân bố trên lãnh thổ Việt Nam

- Đá axit (Hàm lượng SiO; > 65%) là những đá macma phổ biến nhất Đại biểu chính

của nhóm đá axit là: granit, pocfia thạch anh, liparit, thuỷ tinh núi lửa

Granit thường có cấu tạo dạng khối, đặc xít, là đá xâm nhập Thành phần khoáng vật

chủ yếu gồm thạch anh, penspat, mica

Pocfia thạch anh và lifarit là đá phún xuất có cùng thành phần khoáng vật với đá granit

Đá macma axít phân bố rộng rãi ở các vùng miền núi như Hà giang, Tuyên Quang,

Cao Bằng, Điện Biên, Công Tum, Lạng Sơn, Vĩnh Phú, Nghệ Tĩnh,

- Đá trung tính (Hàm lượng SiO; từ 65% đến 52%) phổ biến nhất là: Xienit, điorit (đá

xâm nhập) và pocphia octolaz, trachit, pocfirit, andezit (đá phún xuất) Trong đó Xienit,

pocfia thạch anh, trachit có cùng thành phần khoáng vật (fenspat, hocblen, biotit )

Còn thành phần khoáng vật của điorit, andezit chủ yếu là: Plagioclaz, hocblen,

avgit, biotit

Các đá trung tính phân bố ở vùng núi Bắc Cạn, Lai Châu, Vĩnh Phú (Tam đảo),

Quảng Bình, Nghệ Tĩnh

- Đá bazơ (Hàm lượng SiO; từ 52% đến 40%) là loại đá tương đối phổ biến Trong

nhóm này, đá xâm nhập có gabrrô, đá phún xuất - điabaz, bazan Thành phần khoáng vật

chủ yếu của tất cả các đá này là: Plagioclaz, avgit, thỉnh thoảng gặp olivin

31

Đá bazơ phân bố rộng rãi ở miền núi các tỉnh Lạng Sơn, Cao Bằng, Hoà Bình, Yên

Bái, Nghệ Tĩnh, Tây Nguyên

- Đá siêu bazơ (Hàm lượng SiO, < 40%)chỉ thành tạo dưới sâu, chúng có nguồn gốc

xâm nhập và không chứa thạch anh, fenspat Phân bố của chúng rất hạn chế Trên mặt đất các đá này thường không được bền vững, dễ bị phong hoá Pirocxenmit, periđotit,

đunit là những đá siêu bazơ

Thành phần khoáng vật chủ yếu của pirocxenit là avgit; peridotit - avgit, olivin, và

các khoáng vật quặng; đunit - olivin, các khoáng vật quặng

Ở Việt Nam các đá siêu bazơ phân bố ở các vùng sông Mã, sông Đà, Tây bắc, Vĩnh

Tất cả các loại đá lộ ra trên mặt đất đều chịu tác dụng của quá trình phong hoá vật lý quá trình phá huỷ đất đá dưới tác dụng của các nhân tố vật lý Kết quả là chúng bị nứt nẻ, phá huỷ và tạo ra những mảnh vụn, những hạt với kích thước khác nhau Các sản phẩm phá huỷ này được tạo ra bởi quá trình cơ học và vì vậy, chúng được gọi là các trầm

tích cơ học

Các trầm tích cơ học được gió, nước chuyển đi và trầm đọng xuống dưới đáy sông,

biển, đại dương và cả ngay trên bề mặt lục địa Từ các trầm tích vụn rời, qua một thời gian dài biến đổi tạo ra các loại đất đá tram tích cơ học khác nhau Như vậy, để tạo ra các loại đất đá trầm tích này, sản phẩm phá huỷ đã phải trải qua một thời kỳ nén chặt và biến đổi Theo thời gian dưới tác dụng của những nhân tố bên ngoài khác nhau đất đá

trầm tích lại tiếp tục bị phá huỷ, biến đổi Giai đoạn biến đổi này được gọi là biến đổi

thứ sinh

Các sản phẩm được tạo từ các tàn tích thực, động vật được gọi là các trầm tích sinh

học (san hô, vỏ sò, vỏ ốc, than, )

Trầm tích hóa học được tạo ra do các chất kết tủa từ các dung dịch nước, các phản ứng hóa học

Quá trình phá huỷ, trầm đọng và biến đổi cũng xảy ra đối với các trầm tích sinh vật

và hóa học để tạo ra các loại đất đá trầm tích sinh học và hóa học khác nhau

32

Đất đá trầm tích phụ thuộc vào điều kiện, nguồn gốc, thành tạo cĩ thể là đất hoặc đá

Đất đá trầm tích mặc dầu chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ quả đất nhưng chúng phân bố

tất rộng rãi trên bề mặt địa hình, 75% diện tích bề mặt vỏ quả đất được bao phủ bởi đất

đá trầm tích

5.2 Phân loại đất đá trầm tích theo nguồn gốc và quá trình thành tạo

Theo nguồn gốc và quá trình thành tạo đất đá trầm tích được phân thành các nhĩm sau:

1) Đất đá trầm tích cơ học - được thành tạo từ các trầm tích cơ học;

2) Đất đá trầm tích hố học - được thành tạo bởi các trầm tích hố học;

3) Đất đá trầm tích sinh hĩa - được tạo thành từ các trầm tích thực động vật;

4) Đất đá trầm tích hỗn hợp - được thành tạo từ sự kết hợp các trầm tích cĩ nguồn gốc

Trong thành phần đất đá trầm tích ngồi các khống vật của đá macma, biến chất cịn

cĩ các khống vật được thành tạo trong quá trình trầm đọng và biến đổi tiếp theo của

chúng, như khống vật canxit, caolinit, sét,.v.v là những khống vật cĩ độ cứng nhỏ,

dễ bị nước tác dụng Vì vậy, trong nhiều trường hợp các khống vật này đĩng vai trị

quyết định đối với tính chất và tính năng xây dựng của đất đá trầm tích Thành phần

khống vật của đất đá trầm tích gồm các lớp khác nhau như, silicat, cacbonat, oxit,

sunfat, v.v

Trong đất đá trầm tích thường gặp các di tích sinh vật Các, di tích động, thực vật

trong đất đá trầm tích cĩ thể gặp dưới dạng hố đá (hố thạch), hộc phân hủy ở những

mức độ khác nhau (hình 1.24)

Hình 1.24 Sét-bột kết chứa hĩa thạch (a, b) và sét - bột kết chứa than(c)

33

5.3.2 Kiến trúc của đất đá trầm tích

Kiến trúc của đất đá trầm tích đặc trưng bởi mức độ liên kết giữa các khoáng vật, các

hạt, các kết thể hạt và rất khác nhau Đá trầm tích (đá vôi, sỏi kết, cát kết, ) đặc trưng

bởi kiểu kiến trúc gắn kết, đất mềm dính (sét, sét pha, ) - kiến trúc dính kết và đất hạt rời (cát, sỏi, cuội, ) - kiến trúc rời rạc Cùng với các yếu tố khác, kiến trúc của đất đá

trầm tích làm cho tính chất và tính năng xây dựng của chúng trở nên đa dạng và phức tạp

hơn rất nhiều so với đá macma

5.3.3 Cấu tạo của đất đá trầm tích

Cấu tạo của đất đá trầm tích cũng rất đa dạng Mỗi một loại đất đá trầm tích có một

kiểu cấu tạo đặc trưng riêng Đá trầm tích có thể có cấu tạo đặc xít, dải trong khi đó đất trầm tích đặc trưng bởi cấu tạo rỗng xốp Tính chất rỗng xốp là tính chất rất đặc trưng cho đất trầm tích, Độ lỗ rỗng toàn phần của đất trầm tích có thể rất lớn, ví dụ, cát:

35% - 45 %; sét: 45% - 55 %

5.3.4 Thế nằm của đất đá trầm tích Đất đá trầm tích thường có kiểu thế nằm phân lớp Các lớp này được tạo thành trong quá trình trầm đọng một cách có chu kỳ các trầm tích Các lớp đất đá trầm tích có thể có

độ dày rất lớn và độ nghiêng rất khác nhau Nếu các lớp nằm song song với nhau, chúng

tạo thành thế nằm chỉnh hợp (hình 1.25.a,b) Trong một số trường hợp, do vận động kiến

tạo của vỏ quả đất đất đá có thể có thế nằm không chỉnh hợp - các lớp đất đá không nằm

song song với nhau (hình 1.25.c) Thế nằm phân lớp và thấu kính của đất đá trầm tích

làm cho địa tầng trở nên không đồng nhất, dị hướng, các tính chất cơ, lý, nước của đất

đá có thể biến đổi một cách dị thường

Hình 1.25 Thế nằm phân lớp chỉnh hợp (a, b) và bất chỉnh hợp đất đá trầm tích(c)

Những đặc tính trên của đất đá trầm tích làm cho chúng có tính năng xây dựng rất

phức tạp và so với đá macma tính năng xây dựng của chúng kém hơn rất nhiều

5.4 Đặc tính các nhóm đất đá trầm tích 5.4.1 Đất đá trầm tích cơ học

Đất đá trầm tích cơ học được tạo thành từ các sản phẩm của quá trình phá huỷ cơ học

các đất đá thành tạo từ trước (đá macma, biến chất, trầm tích)

34

Đất đá trầm tích cơ học được phân loại theo các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng xây

dựng của chúng, như: kích thước, mức độ liên kết, hình dạng các hạt đất đá

Kích thước hạt là yếu tố đầu tiên ảnh hưởng đến tính năng xây dựng của đất đá trầm

tích Trong cùng một điều kiện địa tầng nên đất đá càng có kích thước hạt lớn càng có

tính năng xây dựng tốt và ngược lại

Trong bảng 1.4 nêu lên sự phân loại hạt theo theo kích thước của một số tiêu chuẩn

Bảng 1.4 Phân loại hạt theo một số tiêu chuẩn

San Soi 150 - 2 20-2 75 - 4,75 20-2 Cat 2 - 0,08 2-0,06 | 4,75- 0,075 2 - 0,05 Hat min Bot 0,08 -.0,002 | 0,06 - 0,002 | 0,075 - 0,002 | 0,05 - 0,005

Sét < 0,002 < 0,002 < 0,002 < 0,005

Trong bang 1.5 néu lén su phan loai dat đá trầm tích cơ học theo cỡ hạt, hình dạng và

sự liên kết kiến trúc giữa các hạt trong chúng

Bảng 1.5 Phân loại đất đá trầm tích cơ học

Cỡ hạt Hinh dang hat Hinh dang hat

tất cả các loại trên lại được chia ra thành các nhóm khác nhau: hạt thô, hạt mịn Nhóm

hạt thô, hạt mịn bao gồm các loại đất đá với thành phần kích thước hạt khác nhau

Trâm tích sét được đưa vào bảng phân loại này một cách ước lệ vi sét được hình thành liên quan với các quá trình hoá học nhiều hơn là các quá trình cơ học

Trong thực tế thành phần hạt của đất đá trâm tích rất phức tạp, trong một vỉa đất đá

có nhiều thành phần cỡ hạt khác nhau, nên chúng thường được phân loại theo hàm lượng kích thước hạt như được trình bày trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Phân loại đất, đá trầm tích cơ học theo hàm lượng các nhóm hạt

Bột Bột kết Hơn 50 % khối lượng hạt mịn có d > 0,002

tương đối lớn (trửng bình 35% - 45%), tính ép co nhỏ, có tính thấm nước lớn, khả năng

thoát nước tốt Trong thành phần của chúng các khoáng vật có độ cứng lớn, ít bị phong

36

Nhóm dất hạt mịn gồm dat bột và đất loại sét (hình 1.27) Nhóm đất này có tính dính,

mềm nên còn được gọi là đất mềm dính Đất bột và sét phân bố rộng rãi nhất trên mặt

đất Nhóm đất này có độ rỗng lớn: trung bình 45% - 55% Ở trạng thái khô sét trở nên

cứng và chặt; khi liên kết với nước sét trương nở và trở nên dẻo Tăng lượng hạt sét trong

đất thì tăng tính dính, tính trương nở khi đất bị ẩm ướt, tăng thêm khả năng giảm thể

tích khi bị mất nước, giảm tính thấm nước, tăng độ nén chặt dưới tác dụng của áp lực và

kéo dài quá trình nén chặt

- Dat cat pha: 10 + 3%

Trong thực tế xây dựng, thường gặp đất đá thành tạo có thành phần, cấu trúc phức

tạp, như: cuội, sôi chứa cát, cát - sỏi, cát chứa sét, V.V

Nhóm đá bao gồm : dăm kết, sạn kết, cuội kết, sỏi kết, cát kết, bột kết, sét kết

Chúng được thành tạo từ đất đá mềm rời Đất đá mềm rời trong điều kiện tự nhiên có thể

gắn kết bởi các chất lắng đọng từ dung dịch nước Các chất gắn kết, theo thành phần

chia ra các loại sau: ôxit silic, sắt, vôi, và sét Chất gắn kết ôxit silic bền vững nhất, còn

sét - kém bền vững nhất Dưới tác dụng của trọng lực các lớp nằm trên và trọng lực bản

thân, đất đá mềm rời có các chất gắn kết dần dân nén chặt lại để biến thành đá Đá

không những khác nhau về kích thước hạt, về thành phần khoáng vật mà còn khác nhau

bởi chất liệu gắn kết Khi nghiên cứu, khảo sát đá phải chú ý đến các chất gắn kết vì nó

là một trong những yếu tố chính quyết định tính chất cơ lý của đá

Nhóm đá được chia làm: đá hạt thô (cuội kết, sỏi kết, dăm kết, sạn kết, cát kết, hình

1.28) và đá hạt mịn (bột kết, sét kết, hình 1.28) Đá hạt thô thường có cường độ, tính

năng xây dựng cao hơn đá hạt mịn

5.4.2 Dat dé tram tích hoá học

Đất đá trầm tích hoá học được thành tạo do sự kết tủa các muối từ các dung dịch nước

| hay từ các phản ứng hoá học Quá trình thành tạo của chúng xảy ra trong các vũng, vịnh,

biển và ngay cả trên lục địa Đó là các trầm tích có thành phần cacbonat (đá đôlômit, đá

vôi, hình I 30), sunfat (thạch cao, anhiđdrit), clorua (muối mỏ, ), V.V

Đặc tính chung của các trầm tích hoá học là tính dễ hoà tan trong nước Các đá trầm

tích hoá học thường có độ bền cơ học vượt quá yêu cầu xây dựng nhưng do những đặc

38

tính nêu trên nên tính ổn định cơ học của chúng rất khác nhau Đặc biệt trong các đá

nhóm này thường xảy ra hiện tượng cactơ, tạo ra các lỗ rỗng, hang hốc, khe rãnh lớn,

làm cho tính thấm nước và chứa nước của chúng tăng lên, cường độ, khả năng chịu tải,

tính ổn định của địa tầng giảm đi (hình 1.30c)

Hình 1.30 a) Đá vôi phân lớp, b) Đá vôi khối không bị cactơ hóa, c) Đá vôi bị cactơ hóa

5.4.3 Đất đá trầm tích sinh hóa

Đất đá thuộc nhóm này được thành tạo do kết quả tích tụ và biến đổi các tàn tích động

và thực vât Đất đá trầm tích động vật, như: đá vôi vỏ sò, đá phấn Đất đá trầm tích thực

vật, như: tripoli, than bùn, điatomit, đá vôi, than đá Đặc điểm chung của đất đá trầm tích

sinh hóa là có độ lỗ rỗng, độ lún co lớn; nhiều loại có khả năng bị hoà tan trong nước

5.4.4 Đất đá trầm tích hỗn hợp

Đất đá thuộc nhóm này cấu tạo, một phần, bởi các trầm tích cơ học, một phần bởi các

trầm tích sinh hóa hoặc trầm tích hoá học hoặc hỗn hợp từ ba loại này Một trong những

đại biểu của nhóm đá này là đá macnơ Đá macnơ là loại đá vôi - sét (CaCO; chiếm khoảng

25 + 50%),có nguồn gốc hoá học và sinh hóa, cường độ và độ chặt cao Tuy nhiên nếu bị

khô, ướt xen kẽ liên tục dễ bị nứt nẻ, phá huỷ Ngoài đá macnơ còn opalit, đá vôi và

đôlômit thành tạo do tác dụng qua lại giữa trầm tích vôi với dung dịch muối magiê

6 ĐÁ BIẾN CHẤT

6.1 Quá trình thành tạo đá biến chất

Đá biến chất được thành tạo từ đá macma, đất đá trầm tích do tác dụng của các nhân

tố biến chất (áp suất lớn, nhiệt độ cao và các hoạt chất hoá học) tác dụng vào chúng

Quá trình biến đổi đá macma, trầm tích để thành tạo đá biến chất xảy ra trong đới biến

chất của vỏ quả đất Dưới tác dụng của các nhân tố biến chất thành phần, kiến trúc và

cấu tạo đá macma và trầm tích dần dân biến đổi, kết quả là một loại đá mới - đá biến

chất với thành phần, kiến trúc và cấu tạo mới được thành tạo

6.2 Phân loại đá biến chất theo điều kiện thành tạo

Theo điều kiện thành tạo, đá biến chất được chia ra các loại sau: Biến chất tiếp xúc;

biến chất khu vực và biến chất động lực

6.2.1 Đá biến chất tiếp xúc

Đá biến chất tiếp xúc được thành tạo từ đất đá trầm tích, chủ yếu dưới tác dụng của

nhiệt độ cao khi chúng tiếp xúc với macma nóng chảy (hình 1.32) Ví dụ: phiến thạch

sét khi có các khối macma nóng chảy xuyên vào, dưới tác dụng của quá trình biến chất

nhiệt biến đổi để tạo thành đá sừng; đá vôi, đôlômit thành đá hoa; đá cát kết thạch anh

thành đá quaczit Mức độ biến chất lớn nhất thường quan sát thấy ở chỗ tiếp xúc giữa chúng với khối macma Càng xa khối macma mức độ biến chất càng giảm dần

Đá biến chất khu vực là loại đá được thành tạo do sự tác dụng của áp suất lớn, nhiệt

độ cao kết hợp với các hoạt chất hoá học lên đất đá có từ trước, năm sâu dưới mặt đất

trên những vùng rộng lớn (hình 1.33) Đặc trưng về cấu tạo của đá biến chất khu vực là tính chất phân phiến Dưới tác dụng cơ học đá có thể tách ra thành nhiều phiến mỏng

Đại diện của đá biến chất khu vực là phiến thạch mica, đá gnai

Loại đá này được thành tạo dưới tác dụng của áp lực lớn, sinh ra do quá trình tạo núi,

vận động uốn nếp của vỏ quả đất Đá dăm kết kiến tạo là đại diện đặc trưng cho đá biến chất động lực

40