Chương 4 new ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

CHƯƠNG 4 TÁC DỤNG PHONG HÓA I Khái niệm về phong hóa Laø quaù trình bieán ñoåi caùc vaät lieäu treân maët ñaát hoaëc gaàn maët ñaát do taùc ñoäng cuûa khoâng khí, nöôùc, caùc taùc nhaân sinh vaät Nguo[.]

CHƯƠNG 4: TÁC DỤNG PHONG HĨA

I Khái niệm về phong hĩa

Là quá trình biến đổi các vật liệu trên mặt đất hoặc gần mặt đất do tác động của không khí, nước,

các tác nhân sinh vật

Nguồn năng lượng gây nên quá trình phong hóa xuất phát từ ngoài vỏ Trái đất hoặc ngay tại vỏ Trái đất Năng lượng Mặt trời điều hành quá trình phong hóa

Năng lượng bên trong trái đất với các hoạt động kiến tạo, tạo núi, đưa các đá vào đới phong hóa Trong tự nhiên phong hóa vật lý và phong hóa hóa học thường xảy ra cùng với nhau, tùy trường hợp mà một trong hai loại sẽ chiếm ưu thế hơn

Kết quả của quá trình phong hóa:

- Hình thành các vật chất mới, các đá và các khoáng vật mới

- Làm giảm cường đợ chịu lực của đá từ đó phá vỡ chúng

- Cải tạo bề mặt Trái đất, thay đởi các đặc trưng về thành phần vật chất

• Phong hoá cơ học: sự thay đổi hình dáng, kích cỡ của đá và của khoáng vật

• Phong hóa hóa học: gồm quá trình thay đổi các khoáng vật có trước thành các khoáng vật mới

II Phong hĩa cơ học

Là quá trình làm đá vỡ vụn ra thành các mảnh nhỏ dưới tác dụng của năng lượng phát sinh từ hoạt

động tự nhiên

a Sự giãn nở, co rút do chênh lệch nhiệt độ

Do thay đổi nhiệt độ nhanh, nhiều tạo nên sự giãn nở và co rút đá  phong hóa cơ học Quá trình

này thường gặp ở các vùng đá không có lớp phủ đất hay thực vật

Sự thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm hay từ mùa này sang mùa khác

Sự bóc vỏ hóa tròn

Hiện tượng bóc vỏ hóa tròn

Những yếu tớ có ảnh hưởng đến sự phá huỷ bằng chênh lệch nhiệt đợ

- Sự khơng đờng nhất của thành phần khoáng vật, làm cho hệ sớ dàn nở của chúng khác nhau

- Sự khơng đồng nhất của đá về thành phần vật chất, về kiến trúc, cấu tạo

- Màu sắc: Đá có màu sẫm, tới dễ bị phong hĩa hơn đá cĩ màu nhạt

- Đợ hạt: Đá có đợ hạt thơ phong hoá mạnh hơn đá hạt nhỏ

- Gradient biến đổi nhiệt đợ trong mợt ngày đêm

b.Tác dụng của băng giá

Nước chảy vào các khe nứt của ù của các bị đóng băng  thể tích nước sẽ tăng khoảng 9%, tạo nên áp lực tác dụng vào đá làm vỡ vụn thành các mảnh nhỏ trên bề mặt của tảng đá

c Sự kết tinh của muới

Dung di ̣ch muới đi vào trong các khe nứt, lỡ hởng của đá Sau khi nước bay hơi, muớn kết tinh lại tạo ra mợt áp suất và phá hủy đá

III Phong hoá hoá học

Là sự phân huỷ các đá bằng các tác dụng hoá học của các nhân tớ như oxy, nước, khí CO2, các axit hữu cơ phân bớ trong khí quyển, thuỷ quyển và sinh quyển

a.Hòa tan

Một số vật liệu rắn trong các dung dịch tự nhiên bị hịa tan

CaSO4.2H2O Ca2+ + SO42+ + 2 H2O

Trong điều kiện bình thường:

- Muới của nhóm halogen và muới sunfua dễ hoà tan

- Khoáng vật carbonat trong nước thuần khiết thì khĩ hoà tan nhưng nếu cĩ CO2 trong nước thì dễ hoà tan vì H2O + CO2

 HCO3 + H+  axit nhẹ ăn mòn carbonat

Khoáng vật silicat khĩ hoà tan, + t0 cao + 1 áp lực nhất đi ̣nh thì lâu dài chúng sẽ bi ̣ hoà tan dần

b.Carbonat hóa

Cĩ sự tham gia của CO2 trong các phản ứng phong hĩa TD: phong hóa đá vôi gồm hai bước:

• - Đầu tiên CO2 khí quyển hoà tan trong nước tạo thành bicarbonat:

• CO2 + H2O H2CO3H+ + HCO3-

• - Tiếp theo là bicacbonat tác dụng với calcit:

• H+ +HCO3 - + CaCO3 Ca2+ + 2 HCO3 -

C.Hydrat hóa:

• Đây là phản ứng phong hóa gắn thêm H2O vào trong cấu trúc của chất rắn để tạo nên sản phẩm ngậm nước Td phản ứng của fenspat kali với nước tạo ra khoáng vật sét và silic

2 KAlSi3O8 +H2O +2 H + 2K+ + Al2Si2

O5 (OH) 4 +4SiO2 (khoáng vật sét )

• Nước vào ơ mạng tinh thể khoáng vật để hình thành khoáng vật mới:

• CaSO4 + H2O  CaSO42H2O

• (anhydrit) (thạch cao)

• (quá trình xảy ra đi kèm với sự tăng nở thể tích)

• Fe2O3 + nH2O  Fe2O3nH2O

• (hêmatit) (limonit)

• Nước chi ̉ tách ra khỏi ơ mang tinh thể khi nhiệt đợ tăng cao 4000

C

d.Oxy hóa

Oxy tham gia một số phản ứng phong hóa, Td: trong quá trình oxi hóa khoáng vật chứa sắt

6 H2O + 2 Fe2SiO4 +O2 4 Fe ( OH) 3 + 2 SiO2 ( Hydroxyt sắt )

e.Tác dụng thuỷ phân

• Sự thuỷ phân xảy ra khi các ion H+ và OH- phân giải từ nước tự nhiên, tác dụng với các ion của

khoáng vật, trao đởi điện tử với nhau để tạo ra chất mới

• H+ thường thay thế các ion kim loại kiềm như K+ Na+, Ca2+, Mg2+

• Nếu có CO2: Nước + CO2  HCO3-  H+ tăng lên thúc đẩy hiện tượng thuỷ phân

Td: Orthoclase bị phong hĩa

• 4K [AlSi3O8] + 6H2O  4KOH + Al4 [Si4O10] + [OH]8 + 8SiO2

• nếu có CO2 tham gia:

• 4K [AlSi3O8] + 2CO2  4H2O + 2K2CO3 + Al4[Si4O10] (Orthoclase) (dung di ̣ch) (kaolin)

+ [OH]8 + 8SiO2 (opal)

Trong điều kiện ẩm nĩng, kaolin tiếp tục bị phân giải

Al4[Si4O10] + [OH]8 + 2H2O  Al2O3nH2O + SiO2nH2O

IV Phong hoá sinh học

• Phong hoá sinh học - vật lý:

Sinh vật phá hoại đá theo phương thức cơ học Rễ cây phát triển cĩ thể gây 1 áp lực 10 -15kg/cm3

Sinh vật lúc đào hang, khoét lỗ để cư trú đờng thời cũng phá hoại đất đá

Phong hoá sinh học - hoá học

• Vi khuẩn và thực vật thường tiết ra acid hữu cơ để phá hủy đá, hút lấy nhưng nguyên tớ cần thiết

• - Mợt số rễ thực vật tích điện âm  H+ và các ion dương mơi trường acid phá huỷ các đá

• Rễ cây cũng thường thải CO2, thổ nhưỡng chứa nhiều CO2 hơn trong khơng khí từ 10 đến 100 lần làm cho các silicat dễ bị phân giải hơn

• - Hoạt đợng quang hợp làm tăng O và CO2 vào mặt đất

V Tớc đợ phong hoá và các nhân tố ảnh hưởng đến phong hoá

• Tốc đợ phong hóa được xem như là mức đợ phá hoại của phong hĩa tính bình quân theo thời gian kể từ lúc đá lợ ra

• Td: núi lửa Karatau phun tro vào năm 1883, sau 60 năm đã thành mợt lớp thở nhưỡng dày trên 10cm

• Tớc đợ phong hoá ở vùng Goa của Ấn Đợ là 1mm trên năm

• Khí hậu, trong đó đáng kể là nhiệt đợ khơng khí, lượng mưa và sự phân phới, lượng bốc hơi, đợ ẩm

v.v…

• Địa hình cĩ ảnh hưởng đến khí hậu

• Tính chất của đá

Phong hóa là phản ứng của các vật liệu trong vỏ trái đất để có trạng thái cân bằng khi các vật liệu này tiếp xúc với các điều kiện mới của môi trường như nước, không khí và các sinh vật

• Độ sâu và tốc độ phong hóa:

• Phần lớn quá trình phong hóa diễn ra ở phần trên của vỏ Trái đất cho đến độ sâu từ vài mét đến vài chục mét

• Do một số tác nhân khác tác động từ phía dưới mặt đất làm cho quá trình phong hóa có thể xảy

ra ở một độ sâu lớn hơn

Cường đợ và đợ sâu phong hĩa ở các đới khí hậu khác nhau

VI Tính giai đoạn và tính phân đới trong quá trình phong hoá

Kết quả của phong hĩa là tạo ra 2 loại sản phẩm:

- Các đất, đá, dung dịch bi ̣ mang trơi đi và

- Phần giữ lại tại chỡ hình thành các tàn tích (eluvi)

Nghiên cứu các tàn tích, người ta nhận thấy các sản phẩm phong hĩa trải qua các giai đoạn phong hoá trải khác nhau

• Nếu biết thành phần của đá bị phong hóa  có thể xác định được các sản phẩm của quá trình phong hóa hóa học trên đá này

• Ngược lại, khi xem xét sản phẩm phong hóa  một số kết luận về loại đá đã bị phong hóa (đá mẹ)

Giai đoan thứ nhất:

Giai đoạn võ vụn: chủ yếu do phong hóa cơ học phá vỡ các đá mẹ tạo thành vụn đá Nơi khí hậu ẩm và nóng, giai đoạn này rất ngắn

• Giai đoạn thứ hai:

Giai đoạn sialit: Thường xảy ra ở vùng khí hậu khô Phong hóa hóa học là chính

Các silicat và alumosilicat bị phá huỷ phân giải  các cation

Các kim loại kiềm và kiềm thổ + dung di ̣ch  môi trường kiềm

Hình thành 1 số khoáng vật sét trung gian của nhóm montmorilonit và 1 phần của nhóm hydromica

Các muối CaCO3 ít tan được tập trung  các tàn tích vôi

• Giai đoạn thứ ba

Giai đoạn sialit axit: Xảy ra nhanh trong môi trường nóng ẩm, có tác động mạnh của khí quyển và rửa trôi nhanh Tiếp tục sự phân huỷ tách các cation và phá huỷ từng phần SiO2 chuyển từ môi trường kiềm sang môi trường axit

Khoáng vật sét trung gian bị phá huỷ  kaolin

CaCO3 không còn lắng đọng nữa vì Ca bi ̣ hoà tan

• Giai đoạn thứ tư

Giai đoạn alit: Xảy ra trong môi trường nóng ẩm của khí hậu nhiệt đới, á nhiệt đới

Tiếp tục phân huỷ các khoáng vật có trước để đi đến dạng bền vững trên bề mặt Trái đất: các hydroxit của

Al, Fe, Si dưới dạng keo (bauxit, limonit, opal)

Các giai đoạn phong hóa rất phụ thuộc vào các đới khí hậu của Trái đất

Vùng khô Vùng ẩm nóng

Đới Montmorilonit Đới laterit

Hydrormica Kaolinit, gibxit

Vỡ vụn Kaolinit

Vỡ vụn

Đá gốc granit

Vỏ phong hoá

Lớp vỏ mỏng ngoài của vò lục địa của Trái đất bao gồm các sản phẩm phong hóa tại chỗ (các tàn tích) và lớp đất trồng (lớp thổ nhưỡng)

Vỏ có chỗ dày chỗ mỏng hoặc có chỗ không tồn tại Dày nhất ở vùng nhiệt đới, á nhiệt đới Có chỗ dày hơn 100m

Nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vỏ là khí hậu, địa hình, phương thức, cường độ, thời gian tác dụng phong hóa; thành phần đá gốc

Mặt cắt vỏ phong hóa

• VII - THỔ NHƯỠNG:

• Đá rắn hay còn gọi là đá nền đều nằm dưới một lớp đất phủ= đất = thổ nhưỡng

• Đất gồm có cát, sét và mùn thực vật

• Đất có nhiệm vụ là duy trì sự sống thực vật Đất tàn dư đượïc hình thành ngay trên đá gốc; Các loại đất khác có thể được vận chuyển từ các nơi khác đến do sông ngòi, băng hà và gió Quá trình phong hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành đất

Tầng O: lớp mỏng vật liệu phân hủy hữu cơ, gọi là lớp mùn

Tầng A: đới thấm lọc, trong đới này khóang vật bị hòa tan do nước mặt thấm xuống

Tầng B: đới tích tụ, trong đới này các hạt và vật liệu hòa tan từ tầng B được tích tụ

Tầng C: đơi chuyển tiếp từ đất sang đá, gồm đá gốc bị phong hóa

Đất pedalfer

• Là đất có chứa oxyt sắt, sét hay cả hai; tích tụ ở tầng B Tên này được kết hợp từ “pedon” có

nghĩa là “đất” (tiếng Hy Lạp) và hai kí hiệu Al, Fe

• Đất pedalfer thường có mặt trong những vùng có khí hậu ôn hòa, ẩm ướt, thường ở dưới các rừng thực vật cấp thấp

• Thuộc nhóm này có rất nhiều loại đất có màu đỏ, vàng

Đất pedocal:

• Chứa CaCO3 (từ “pedon” và calci)

• Thường có mặt ở các vùng ôn đới, nhiệt độ tương đối cao, lượng mưa thấp và øthực vật chủ yếu là cỏ và các bụi cây

• Nước bốc hơi trước khi mang cacbonat ra khỏi đất  các hợp chất này lắng đọng dưới dạng calcite

Đất laterit:

• Là các loại đất ở vùng nhiệt đới, giàu hydroxid nhôm và oxyt sắt

• Sắt và nhôm tích tụ trong tầng B

• Nhôm ở dạng Al2O3.nH2O gọi là bauxit, một loại quặng nhôm, được hình thành khi phong hóa mạnh và lâu dài, loại bỏ oxyt silic ra khỏi khoáng vật sét và để lại oxyt alumium (bauxit)

• Oxyt sắt tập trung trong tầng B nhiều  quặng sắt