Bài 1 Hiện tượng phong hóa

Bài giảng địa chất công trình Đại học bach khoa đà nẵng Bài 1 Hiện tượng phong hóa

Chương 6

Bài 1: HIỆN TƯỢNG PHONG HÓA

Giảng viên: TS Nguyễn Chí Trung

Mobile: 0905173746 Email: trungnguyenchi20@gmail.com

1.1 Khái niệm về phong hóa

Phong hóa là quá trình phá huỷ đá gốc dưới tác dụng của các yếu tố vật lý và hóa học (không khí, nước, sự thay đổi nhiệt độ ) và hoạt

động của sinh vật trong điều kiện bình thường trên bề mặt Trái đất.

Dựa trên các yếu tố tác động và phương thức biến đổi khác nhau của

đá gốc mà chia quá trình phong hóa ra 3 loại: phong hóa vật lý, phong hóa hóa học và phong hóa sinh học

1.1.1 Phong hóa vật lý

Phong hóa vật lý là quá trình phá huỷ đá gốc bằng phương thức vật

lý Nói cách khác đó là quá trình biến đá gốc nguyên khối thành

những tập hợp hạt vụn có kích thước từ vài mm đến 0,01mm mà

không hề làm thay đổi những phần khoáng vật và thành phần hóa học của chúng

Các nhân tố gây nên quá trình phong hóa vật lý là sự thay đổi nhiệt

độ giữa ngày và đêm, giữa mùa đông và mùa hè, nước chảy, gió thổi

và hoạt động của băng hà

Phong hóa vật lý do đóng băng

Phong hóa vật lý do nhiệt

Hình Phong hóa do oxy hóa

Hình Phong hóa do sinh vật Hình Phong hóa theo

khe nứt theo chiều sâu

Rock Primary Minerals Residual Minerals* Leached Ions

Granite

Fe-Mg Minerals Clay Minerals + Hematite + Goethite Mg+2

Basalt

Fe-Mg

Magnetite Hematite, Goethite - Limest

1.1.2 Phong hóa hóa học

Phong hóa hóa học là quá trình phân huỷ và biến đổi thành phần

khoáng vật và thành phần hóa học của đá gốc dưới tác dụng của các yếu tố như: nước, oxy, cacbonit và axit hữu cơ.

1)CaSO4+ 2H2O → CaSO4.nH2OAnhydrit thạch cao

Fe2O3 + n.H2O → Fe2O3.nH2OHematit limonit

Thuỷ phân là hiện tượng phá huỷ hoàn toàn khoáng vật này thành

khoáng vật khác bền vững hơn trong điều kiện trên mặt do tác dụng

của nước

6K[AlSi3O8] + 2CO2 +2H2O → 2KAl2 [SiO3AlO10](OH)2 + 2K2CO3+

12SiO2 Fenpat kali hydromica

* Qúa trình biến đổi do oxy (O2)

Oxy trong không khí chiếm 21% và oxy hòa tan trong nước

(30-35%), là nhân tố phong hóa quan trọng thứ hai sau tác nhân nước

Tác dụng của oxy là quá trình oxy hóa các nguyên tố hóa trị thấp thành các nguyên tố hóa trị cao hơn bền vững trong điều kiện trên mặt

Ví dụ:

2FeS2 + 4H2O+ 7O2 → 2FeSO4.H2O + 2H2SO4

Trong môi trường giàu nước sunfat sắt được ngậm nhiều nước hơn.FeSO4.H2O + 4H2O ⇔ FeSO4.5H2O và

Hay: Fe2(SO4)3 + 6H2O ⇔ 2Fe(OH)3 + 3H2SO4

Và: Fe (OH)3 →Fe2O3.nH2O (limonit, gơtit) → Fe2O3 (hematit)

Trong tự nhiên oxy chỉ phân bố trong một giới hạn nhất định Mặt giới hạn dưới gọi là mặt giới hạn oxy hóa-khử, mặt này thay đổi phụ thuộc vào tính chất của từng loại đá, địa hình, khí hậu và độ sâu mực nước ngầm

Ví dụ: vùng đầm lầy mặt giới hạn là mặt đất còn vùng khí hậu khô phá huỷ kiến tạo tạo thành khe nứt phát triển sâu có thể hàng kilomét

* Quá trình biến đổi do CO 2

Cùng với nước và oxy, CO2 trở thành một nhân tố tích cực trong quá trình phong hóa CO2 có mặt trong không khí chiếm 0,03%, đồng thời cũng là thành phần khí hòa tan trong nước và được tạo ra từ các hoạt động của sinh vật và núi lửa

Trong môi trường nước CO2 tác dụng với nước để biến thành

axitcacbonic

CO2 + H2O →H2CO3 đồng thời axit yếu này bị phân ly như sau:

H2CO3 ⇒ H+ + HCO3, nhờ vậy nước trở nên hoạt động tích cực hơn

Độ hòa tan của CO2 trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất,

hoạt động của sinh vật và các phản ứng hoá học Vì vậy hàm

lượng CO2 trong nước lớn gấp hàng trăm lần trong không khí Khi nhiệt độ thấp nhưng áp suất cao thì hàm lượng CO2 giảm Sự

thay đổi hàm lượng CO2 cũng làm thay đổi quá trình phá huỷ

khoáng vật của đá gốc và thành tạo nên khoáng vật mới

Ví dụ

Axít cacbonic (CO2+ H2O) có khả năng ăn mòn theo phản ứng sau đây:4KalSi2O8 +2CO2+4H2O → 2K2CO3 + Al4(SiO10)(OH) +8SiO2

Fenspat kali kaolinit

Đối với đá cacbonat, CO2 đóng vai trò khử cacbonat và tạo cacbonat mới:

CaCO3 + CO2 +H2O ⇔ Ca (HCO3)2Nước càng giàu CO2 môi trường càng giàu ion H+ (axit) nên Ph giảm, lúc đó CaCO3 bị hòa tan biến thành bicacbonat canxi Ngược lại khi CO2giảm thì môi trường trở nên kiềm và kết tủa CaCO3 dưới dạng thạch

nhũ và travectin (đây là các phản ứng tạo thành hiện tượng gọi là Karst,

chúng ta sẽ được học ở Chương 7)

1.2.3 Phong hóa do sinh vật

Có một số loài thực vật sống trên đá và lấy đi một số nguyên tố trong

đó để sống như: K, Ca, SiO2, Mg, Na, P, S, Al, Fe và nhả ra một số

axit tác dụng vào đá

Qúa trình phá huỷ đá được bắt đầu là vi khuẩn và tảo sau đó là vi thực vật như diatomea, nấm và thực vật ưa đá (rêu đá) Cuối cùng là thực

vật cao đẳng

Kết quả phân tích trong tro của thực vật ưu đá hạ đẳng có Al và SiO2

chứng tỏ loài thực vật này có khả năng phá vỡ mối liên kết của silicat

alumium

Khi thực vật chết đi tạo thành axit humic Loại này thực chất là một chất mang keo điện tích âm có khả năng hấp thụ Al+3 và Fe+3 để tạo nên một hợp chất dạng phức keo khá linh động được đưa đi rất xa

1.2 Vỏ phong hóa

1.2.1 Khái niệm

Vỏ phong hóa là sản phẩm phong hóa của đá gốc được giữ nguyên

tại chỗ và có cấu trúc phân đới theo phương thẳng đứng.

Bề dày của vỏ phong hóa thay đổi phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, địa hình ,tính chất và cường độ phong hoá, thành phần đá gốc và

phong hóa

Cần phân biệt vỏ phong hóa với đới phong hóa Vỏ phong hóa là

sản phẩm bở rời, còn đới phong hóa là quyển đá nằm trên mực

nước ngầm thấp nhất Đới phong hóa rất dễ bị phong hóa để

chuyển thành vỏ phong hóa

1.2.2 Tính phân đới của vỏ phong hóa

Nếu vùng khí hậu nhiệt đới ẩm như nước ta, các đá gốc giàu

alumosilicat lộ ra ở vùng địa hình gò đồi ven rìa đồng bằng thì điều kiện phong hóa hóa học được coi là lý tưởng Những mặt cắt củ vỏ phong hóa này có cấu trúc phân đới đầy đủ nhất và sắp xếp theo thứ

tự từ dưới lên như sau:

Đá mẹ có thành phần giàu alumosilicat và khoáng vật chứa Fe-Mg (bazan, adezit, đá phiến amphibolit )

Đới saproli (đới vỡ vụn) do phong hóa vật lý;

Đới litoma (đới sét)-đới phong hóa hóa học dang dở;

Đới laterit (bauxit);

Hình Đới phong hóa (from

Fredlund, 1993 after Little, 1969)

Đá mẹ có thành phần giàu alumosilicat và khoáng vật chứa Fe-Mg (bazan, adezit, đá phiến amphibolit )

Đới saproli (đới vỡ vụn) do phong hóa vật lý;

Đới litoma (đới sét)-đới phong hóa hóa học dang dở;

Đới laterit (bauxit);

Đới thổ nhưỡng;

• Weathering horizons in temperate climes are commonly divided into the three basic horizons shown here:

• The A-horizon commonly includes topsoil, which is rich in organic matter

• The B-horizon contains little organic matter and contains dissolved

materials, like carbonate Commonly contains

minerals being altered to clay

• The C-horizon is the oxidized bedrock zone

• Three dominant soil types world-wide Pedocal soils

tend to dominate in areas receiving less than 20 inches

Hình Sự hình thành các kiểu vỏ phong hóa trong các loại đá khác nhau (màu sắc của đới phong hóa thay đổi so với màu của đá

nguyên thuỷ)

a- Đá gốc granit; b- Đá gốc là đá vôi; c- Đá gốc là bazan

1.3 Nghiên cứu phong hóa trong khảo sát ĐCCT

a) Phương pháp N.V Kolomenski (1952), theo đó ông phân ra 4

nhóm tương ứng với 4 đới phong hóa: “vụn bột”, “đá tảng”, “đá nứt nẻ”

và “nguyên gốc”

dày (m)

Đặc trưng của đới

IV Vụn bột 0,25 Đất đá phong hóa mạnh, cấu tạo bởi những khoáng vật

của vỏ phong hóa, tính thấm nước K = 1.10 -3 ng/đ; tính nén lún lớn, độ bền không cao

III Đá dăm 0,9-2,5 Sản phẩm phong hóa là các mảnh đá dăm đường kính

2-3dm, tính thấm nước từ vài m đến vài cm/ng-đ, độ bền nén và cắt nhỏ hơn đá trong đới II

-10m Các khe nứt phong hóa có khoáng vật thứ sinh lấp nhét, độ lớn các tảng đá giảm dần từ dưới lên trên, tính

thấm K ~100m/ng-đ

I Nguyên khối Đá gốc bị phong hóa, độ bền nén và cắt không cao bằng

đá gốc, xuống sâu đá cứng không phong hoá

b) Phương pháp của A.Khemrol (1961)

A.Khemrol đưa ra chỉ tiêu mức độ phong hóa:

% 100

1

1 2

P

P P

Trong đó:

P1- khối lượng mẫu đất đá được sấy khô dưới nhiệt độ t0 = 1050C

P2- khối lượng mẫu đấ đá đó nhưng được bão hoà trong nước từ 1,5 –

2 giờ;

c) Phương pháp của V.B.Svech (1964, 1970)

Mức độ phong hóa của đất đá được đặc trưng bởi hệ số:

t

t B

K

K K

Dựa vào trị số KB, Svech phân ra:

Đá phong hóa mạnh : 0,75 < KB < 1,0

Đá phong hóa yếu: 0,5 < KB < 0,75

Đá ổn định với phong hóa: KB < 0,50

d) Phương pháp của L.A.Iarg (1974)

Chỉ tiêu cường độ phong hóa- đó là tỷ số gia của chỉ tiêu bất kỳ nào đó với số gia của đá phong hóa

2

1

1 ,

−

− +

−

=

n n

n i n

i

R R

e) Phương pháp của P.N.Pariukov (1962)

Chỉ tiêu độ ổn định (mức độ phong hóa) của đất theo N.P.Paniukov

R1 - độ bền của đá sau một năm kể từ khi nó được lộ ra trên sườn dốc;

R0- độ bền ban đầu của đá;

f) Phương pháp của Đ.S.Zolotarov (1969)

Mức độ phong hóa được đánh giá bằng hệ số:

A H

O H

C

F F

F F

trục (Rn), môđun đàn hồi (Eđ), lực dính ( C), hàm lượng thạch cao

hay oxit sắt, thành phần khoáng vật v.v…

Các ký hiệu “H”, “O” và “A” tương ứng với đá không bị phong hóa,

đang nghiên cứu và phong hóa tới hạn (tầng A)

Dựa vào trị số BC Đ.S Zolotarev phân chia ra 4 cấp theo mức độ

phong hóa như sau:

Trị số B C Mức độ phong hoá

g) Phương pháp đanh giá mức độ phong hóa theo TCXD 45-78

Để đánh giá mức độ phong hoá, người ta dùng hệ số phong hóa, đó

là tỷ số giữ trọng lượng thể tích của mẫu đá đã bị phong hóa và trọng lượng thể tích của đá chưa bị phong hóa của cúng loại đá ấy

γ

γ ph ph

Tuỳ theo giá trị của kph chia ra:

Đá không phong hóa: kph = 1

Đá phong hóa nhẹ: kph = 0,9 - 1

Đá phong hóa vừa: kph = 0,8 - 0,9

Đá phong hoá mạnh: kph < 0,8

h) Phân cấp mức độ phong hoá theo 14TCN 195:2006

(Theo 14TCN 195:2006 – Thành phần, khối lượng khảo sát địa chất trong các giai đoạn lập dự án và thiết kế công trình thuỷ lợi; ban hành kèm theo QĐ số: 4079/QĐ-BNN-KHCN ngày 29/12/2006)

Cấp độ phong hóa Ký hiệu Đặc tính

Phong hóa hoàn toàn

Completely Weathered) (C.W)P.H Đá bị biến màu hoàn toàn, không ánh Hầu hết đá đã biến thành đất hoặc dăm cục, tỷ lệ dăm cục thường <5% Dăm cục dễ bóp thành

đất, tuy nhiên chúng vẫn giữ được cấu trúc của đá mẹ, bỏ vào nước thấy xuất hiện nhiều bọt khí Dùng xẻng đào được dễ dàng Theo bảng phân cấp đất trong thi công được xếp vào cấp đất II – III.

Phong hóa mạnh

( Highly Weathered) (H.W)P.M Đại bộ phận đá bị biến màu, hầu hết fenspat chuyển thành màu đục, các khoáng vật Fe, Mg bị mờ và chuyển thành đất sét có màu nâu

Đất chiếm <50% Đá phần lớn mềm bở, búa đập nhẹ các khe nứt tách rời, bẻ được bằng tay, tiếng búa đập nghe đục, cấu trúc của đá

mẹ vẫn tồn tại được Bỏ vào nước không hoặc rất ít bọt khí xuất hiện Dùng xẻng đào được, tuy đôi chỗ khó đào mà phải dùng tới xà

beng hoặc đôi khi dùng cả mìn Chúng được xếp vào đất cấp IV và một phần có thể xếp vào đá cấp IV.

Phong hóa vừa

(Moderately Weathered) (M.W)P.V Bề mặt của đá và mặt khe nứt hầu hết bị biến màu, bị oxy hóa (có thể sâu theo khe nứt tới 1 -5cm) P.V là đới trên của đá cứng, nứt nẻ

khá mạnh, cấu trúc nguyên thủy của đá hoàn chỉnh, búa đập bình thường các khe nứt dễ bị tách rời, lõi đá cứng, không bẽ được bằng tay, các khoáng vật kém bền vững (như fenspat) bị phân giải gần hết

hoặc bị biến mềm Búa đập nghe tiếng vang hơi đục, đào phải dùng mìn Chúng được xếp vào đá cấp III ÷ IV, một phần nhỏ có thể xếp vào đất cấp IV.

Phong hóa nhẹ

(Slighly Weatherad) (S.W)P.N Bề mặt của đá và khe nứt có sự thay đổi màu nhẹ Các khe nứt thường kín hoặc mở rộng không quá 1mm Đá liền khối Tiếng vang

khi đập búa trong, cường độ giảm so với đá tươi (nguyên khối)

không đáng kể, đào phải dùng mìn Chúng được xếp vào đá cấp II ÷

cấp III

Không phong hóa hay đá tươi

(Unweatherad or Fresh) (U.W)K.PH Màu đá sáng tươi, các thành phần khoáng vật tạo đá không biến đổi, khe nứt đặc biệt kín hoặc độ mở bé hơn 0,5mm Búa đập khó vỡ,

tiếng vang của búa khi đập nghe trong và thanh Đào phải dùng mìn

Chúng được xếp vào đá cấp I ÷ cấp II.

IA1 Toàn bộ vật liệu đá đã bị phân rã và ở dạng mềm bở nhưng còn giữ được một phần cấu tạo của đá

nguyên thủy Tất cả các khoáng vật felspat và khoáng vật chứa Fe – Mg biến đổi hoàn toàn thành đất sét Dễ dàng hút nước khi ở trong nước, đỉnh nhọn của búa dễ dàng ấn lõm trên bề mặt đá, có thể bóp vụn thành các hạt rời bằng tay và ngón tay Vật liệu đá có thuộc tính gần như đá Độ cứng của vật liệu

IA2 Phong hóa phát triển trên toàn bộ khối đá, trên một nửa phần vật liệu đá trở nên mềm yếu và tồn tại

hoặc ở dạng đá liền khối hoặc các lõi đá bị biến màu hoàn toàn so với đá tươi Tất cả các khoáng vật fenlspat và khoáng vật chứa Fe – Mg biến đổi một phần thành đất sét, không dễ dang hút nước khi ở trong nước, đỉnh nhọn của búa địa chất không thể ấn lõm trên bề mặt đá Nõn khoan có thể bẽ gãy bằng tay thành các mẫu nhỏ, các hạt riêng biệt có thể cạy rời khỏi bề mặt, tiếng búa đục, dung trọng và cường độ chịu lực của đá giảm hẳn so với đá tươi Độ cứng của đá đạt từ tương đối mềm yếu đến rất mềm yếu, tuỳ thuộc vào loại đá.

Đá

phong

hóa vừa

IB Phong hóa phát triển trên toàn bộ khối đá làm đá bị ố hoặc có vệt trắng, không còn giữ được màu

nguyên thủy của đá tươi Các khoáng vật chứa Fe - Mg bị “hoen rỉ”, các tinh thể fenspat bị vẫn đục (xám), các khoáng vật dễ hòa tan có thể bị rửa trôi gần hết Sự thay đổi hoàn toàn trên bề mặt khe nứt

hở và các khuyêt tật khác với độ sâu 13 - 50mm Dung trọng giảm đáng kể, nõ khoan dễ bị dập vỡ, tiếng búa không trong, nõn khoan không nhẵn, các mảnh vỡ không sắc cạnh Đá tương đối cứng chắc đến tương đối mềm yếu, tuỳ thuộc vào loại đá.

IIA Thân đá bị biến màu nhẹ và cục bộ Phong hóa trên bề mặt khe nứt hở và khuyết tật khác, oxi hóa xâm

nhập tới 3mm (rất ít các khe nứt có góc xiên lớn hoặc cắt nhau, bị oxi hóa tới 13mm), một số tinh thể fenspat bị đục mờ Sự rửa trôi yếu của một số khoáng vật dễ bị hòa tan có thê nhìn thấy được Nõn khoan không thể đập vỡ bằng một nhát búa, tiếng búa trong, nõn khoan bằng, các mảnh vỡ sắc cạnh Dung trọng giảm không đáng kể Cường độ gần giống đá tươi, đá tương đối cứng chắc đến rất cứng chắc, tuỳ thuộc vào loại đá

Đá tươi IIB Thân đá không bị biến màu, có thể có khe nứt bị limonit Khó đập vỡ bằng búa, tiếng búa vang trong

Nõn khoan bằng, các mảnh vỡ sắc cạnh Đá tương đối cứng chắc đến đặc biệt cứng chắc, tuỳ thuộc vào loại đá.

k) Phân cấp mức độ phong hóa theo Tiêu chuẩn Anh (BS 5930:1981) - Đối với nõn khoan

VI Tàn tích (Residual soil) là vật liệu đất với kiến trúc, cấu tạo và thành phần khoáng vật ban đầu của đá bị phá

huỷ hoàn toàn.

V Phong hoá hoàn toàn (Completely weathring): toàn bộ vật liệu đã bị phân rã và ở dạng mềm bở nhưng kiến

trúc và cấu tạo của đất đá vẫn còn giữ được Tất cả các khoáng vật fespat và khoáng vật chứa Fe, Mg bị biến đổi hoàn toàn thành đất sét Dễ dang hút nước khi ở trong nước Đỉnh nhọn của búa địa chất dễ dàng ấn lõm trên bề mặt đất Có thể bóp vụn thành các hạt rời bằng ta hay ngón tay.

IV Phong hóa mạnh (Highly weathring): phần lớn vật liệu ở dạng mềm bở Tất cả các khoáng vật fenspat và

khoáng vật chứa Fe, Mg biến đổi, ở chừng mực nào đó thành đất sét, không dễ dàng hút nước khi ở trong nước Đỉnh nhọn của búa địa chất không thể ấn lõm trên bề mặt đá Nõn khoan đường kính 55mm có thể bị bẽ gãy bằng tay thành các mẫu nhỏ mà không phải do các bề mặt yếu như chớm nứt hay mạch Cường độ đá yếu

rõ rệt Các quá trình biến đổi hóa học tại vị trí vỡ vụn Các hạt riêng có thể cạy rời ra khỏi bề mặt Bị biến đổi màu hoàn toàn so với đá gốc, có tiếng đục kh gõ bằng búa.

III Phong hoá vừa (Monderately weathring): quá trình phong hóa phát triển ở toàn bộ khối đá, toàn bộ khối đá bị

ố Vật liệu đá không ở dạng mềm bở Các khoáng vật chứa Fe, Mg bị “hoen rỉ” các tinh thể fenspat bị vẫn đục Các khoáng vật dễ hòa tan có thể nhận thấy được Có vết ố nhẹ của limonit Bằng vài nhát búa mới đập vỡ mẫu vật, có cường độ tương đương đá gốc Có tiếng vang thanh khi gõ các loại đá kết tinh bằng búa cường độ thân đá không bị yếu đi.

II Phong hóa nhẹ (Slightly weathring): phong hóa xâm nhập các bề mặt các khe nứt hở, một số tinh thể fenspat bị

mờ đục Sự rửa trôi yếu của một số khoáng vật dễ hoà tan có thể nhận thấy được Có vết ố nhẹ của limonit Bằng vài nhát búa mới đập vỡ mẫu vật, có cường độ tương đương đá gốc Có tiếng vang khi gõ búa Cường độ thân đá không bị yếu đi.

I Đá tươi (fresh): có thể có các khe bị ố limonit, nhưng không có sự biến màu trong thân đá, đậpp vỡ bằng búa

không dễ Có tiếng vang thanh khi gõ các loại đá kết tinh bằng búa.