Bài giảng Địa chất công trình

* Về nguồn gốc thành tạo, các khoáng vật tạo đá được phânra: -Khoáng vật nguyên sinh: thành tạo khi magma kết tinh, không mượn thêm vật liệu từ bên ngoài và không có các quá trình ngoại

Chương 1

CÁC LOẠI ĐÁ TRONG VỎ QUẢ ĐẤT

VÀ ĐỊA TẦNG

Nội dung nghiên cứu:

§ 1.1 ĐÁ MAGMA

Nội dung nghiên cứu:

1. Quá trình magma và sự hình thành đá magma

2. Phân loại đá magma

3. Thành phần khoáng vật của đá magma

4. Kiến trúc, cấu tạo của đá magma

5. Thế nằm của đá magma

I/ Quá trình magma và sự hình thành đá magma:

n Dung dịch magma là những dung dịch silicate

nóng chảy được hình thành trong lòng đất 150km), có chứa hầu hết tất cả các nguyên tố,

(30-kể cả các chất dễ bay hơi, hơi nước

n Dung dịch magma được phát sinh do nhiệt độ

tăng lên đột ngột (do các phản ứng phân rã hạtnhân hoặc do va chạm các lục địa)

n Khi magma đâm thủng quả đất, chảy trên mặt

đất thì được gọi là dung nham

2 Phân loại đá magma

a Theo điều kiện thành tạo

b Theo thành phần hóa học (dựa vào hàm lượng SiO2)

n Đá magma axit: SiO2>65%

n Đá magma trung tính: SiO2=55% ÷ 65%

n Đá magma siêu bazơ: SiO2<45%

* Về nguồn gốc thành tạo, các khoáng vật tạo đá được phân

ra:

-Khoáng vật nguyên sinh: thành tạo khi magma kết tinh,

không mượn thêm vật liệu từ bên ngoài và không có các quá trình ngoại sinh tham gia

-Khoáng vật thứ sinh: thành tạo ở các thời gian sau, do sự

biến đổi của khoáng vật nguyên sinh

* Khoáng vật của đá magma còn được chia:

-Khoáng vật sáng màu (nhóm Salic): thạch anh, feldspar…

-Khoáng vật sẫm màu (nhóm Femic): amfibole, pyroxen và

biotite…

Các khoáng vật nội sinh, nguyên sinh, chủ yếu là khoáng vật lớp silicate Các khoáng vật sinh sau do kết tủa từ dung dịch lưu thông trong kẽ nứt, lỗ hổng của đá magma – hàm lượng không đáng kể.

n Đặc điểm chung của khoáng vật tạo đá magma:

- Là khoáng vật nội sinh

- Là khoáng vật nguyên sinh

- Dễ bị biến đổi trong điều kiện môi trường

Tên khoáng vật Thành phần

Thạch anh Feldspar Muscovite Biotite Mafics

SiO2(K,Na,Ca)(Al,Si)4O8KAl2AlSi3O10(OH)2K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2

Mg-Fe silicates

Khoáng vật sẫm màu

Khoáng vật sáng màu

III Kiến trúc, cấu tạo của đá magma

1 Kiến trúc:

Kiến trúc của đá theo nghĩa rộng của nó là toàn

bộ những dấu hiệu xác định những đặc điểm về hình thái của từng hợp phần và quan hệ không gian giữa chúng với nhau Theo nghĩa hẹp hơn, kiến trúc bao gồm những dấu hiệu quy định bởi trình độ kết tinh, kích thước, hình dáng của các tinh thể, quan hệ tương hỗ

giữa chúng với nhau và giữa chúng với thủy tinh.

n Theo mức độ kết tinh

q Kiến trúc toàn tinh: Các khoáng vật đều kết tinh,

có mặt phân tách rõ rệt, có thể thấy bằng mắt thường

q Kiến trúc ban tinh (poocfia): một số khoáng vật

lớn nổi lên trên nền các tinh thể hạt nhỏ hoặc không kết tinh

q Kiến trúc ẩn tinh: các khoáng vật kết tinh hạt bé,

không thấy được bằng mắt thường

q Kiến trúc thủy tinh: các khoáng vật không kết tinh,

ở dạng vô định hình

n Theo kích thước hạt

q Theo GT BM: Hạt lớn (>5mm); hạt vừa (5-2mm); hạt nhỏ (2-0,2mm); hạt mịn (<0,2mm)

q Theo Tony Waltham: Hạt lớn (>2mm); hạt vừa 2mm); hạt mịn ( <0,1mm)

(0,1-n Theo mức độ đồng đều giữa các hạt

q Kiến trúc hạt đều: khi các hạt có kích thước gần như nhau

q Kiến trúc hạt không đều: khi các hạt to nhỏ khác nhau

Kiến trúc toàn tinh

Kiến trúc ban tinh (poocfia)

Khoáng vật kết tinhKhoáng vật nền

Kiến trúc ẩn tinh

Kiến trúc thủy tinh

Theo kích thước hạt khoáng vật

2 Cấu tạo:

Cấu tạo là một đặc điểm cấu trúc của đá do quan

hệ không gian giữa từng bộ phận hợp thành đá và đặc trưng cho trình độ đồng nhất của đá.

n Theo sự định hướng của các thành phần khoáng vật trong không gian

n Cấu tạo khối (cấu tạo đồng nhất): theo bất kỳ hướng nào, thành phần khoáng vật của đá cũng như nhau

n Cấu tạo dòng (cấu tạo dải): khoáng vật tập hợp theo dạng dải vì được định hướng theo sự di chuyển của dòng dung nham

Theo mức độ lỗ hổng

q Cấu tạo đặc sít: trong đá không có lỗ rỗng

q Cấu tạo lỗ rỗng: trong đá tồn tại các lỗ rỗng

q Cấu tạo xốp: trong đá tồn tại rất nhiều lỗ rỗng

q Cấu tạo hạnh nhân: các lỗ rỗng được lấp đầy

bởi khoáng vật thứ sinh

IV Thế nằm của đá magma

Thế nằm của đất đá cho ta khái niệm về hình dạng, kích thước và tư thế của khối đá trong không gian cũng như mối quan hệ của các khối đá trong không gian đó với nhau.

n Thế nằm của đá xâm nhập

q Dạng nền: kích thước rất lớn, đá vây quanh không bị

biến đổi thế nằm, ranh giới dưới không xác định được

q Dạng nấm: hình nấm, kích thước nhỏ hơn dạng nền,

đá vây quanh phía trên bị uốn cong

q Dạng mạch: do magma xâm nhập vào các khe nứt, cắt

ngang tầng đá vây quanh, kéo dài

q Dạng lớp: do magma xâm nhập vào khe nứt mặt lớp

đá có trước, đông cứng như một lớp

n Thế nằm của đá phun trào

q Dạng vòm: khi magma nhớt, đông cứng ngay tại chỗ

Dạng vòm Dạng khiên Dạng lớp phủ Dạng dòng chảy

Dạng lớp

Thế nằm của đá magma

Thế nằm dạng mạch của đá xâm nhập

Thế nằm dạng lớp của đá magma xâm nhập

Thế nằm dạng vòm của đá phun trào

Thế nằm dạng lớp phủ

Thế nằm dạng dòng chảy

n Photograph by J.D Griggs

on 31 January 1984

n Basalt lava erupts from Pu`u

`O`o spatter and cinder cone

Granite —light-colored plutonic rock—is the signature stone of Joshua Tree National Park

Đây là khối granite ở công viên quốc gia Joshua Tree Nó là đá xâm nhập hay phun trào?

Phần đá màu hồng là đá magma Hỏi, nó là đá xâm nhập hay phun trào? Trên cơ sở nào, bạn chọn phương án trả lời đó?

Thế nằm dạng mạch của đá xâm nhập

Mối liên quan giữa điều kiện hình thành và kiến trúc của đá

41

Sự liên quan giữa điều kiện hình thành và kiến trúc của đá

Tên đá Điều kiện

lớp phủ (basalt)

nhanh thuỷ tinh,

ẩn tinh hạt mịn

lượng SiO2loại đá

độ nhớt màu sắc khả năng bị phong hoá

Mức độ kết tinh của khoáng vật phụ thuộc điều kiện đông nguội của dung nham

§ Ở dưới sâu do tính dẫn nhiệt của đá kém, quá trình đông

nguội của dung nham kéo dài, các tinh thể có đủ thời gian

để lớn lên Do vậy, đá xâm nhập thường có kiến trúc toàn tinh hạt lớn và đều hạt

§ Ở gần mặt đất và trên mặt đất, điều kiện tỏa nhiệt tốt và

áp suất thấp nên dung nham nguội lạnh rất nhanh, các tinh thể không kịp hình thành, chỉ hình thành các tinh thể nhỏ hoặc chỉ kết tinh được một số khoáng vật có nhiệt độ kết tinh cao Do vậy, kiến trúc ẩn tinh, thủy tinh, poocfia đặc trưng cho xâm nhập nông và đá phun trào, đặc biệt kiến trúc thủy tinh thường thấy khi dung nham phun trào

ở đáy biển

Hình ảnh một số loại đá magma

Rhyolite is a light-colored,

fine-grained, extrusive igneous rock

that typically contains quartz and

feldspar minerals

Porphyry is a name used for any igneous rock with conspicuous larger grains floating in a fine- grained groundmass

Đá basalt ngoài thực địa Một mẫu đá basalt nhìn gần

Một số hình ảnh đá magma

Basalt: a fine-grained igneous rock that is usually black in color The

specimen shown is about two inches (five centimeters) across

Granite is a coarse-grained, colored plutonic rock, composed mainly of quartz and feldspar with minor amounts of micas, amphiboles and other minerals

light-n Gabbro is a coarse-grained,

dark colored, intrusive igneous rock

that contains feldspar, augite and

sometimes olivine The specimen

shown is about two inches (five

centimeters) across

Một số hình ảnh đá magma

Ý nghĩa của việc nghiên cứu thế nằm đá magma trong xây dựng công trình thủy lợi

n Ảnh hưởng đến tính ổn định của công trình

n Ảnh hưởng đến tính thấm nước của đất đá

n Ảnh hưởng đến khả năng khai thác các loại vật liệu xây dựng thiên nhiên…

Yêu cầu

n Đọc giáo trình kết hợp các slides tìm kiếm các thông tin:

q Giải thích sự hình thành của đá magma

q Ảnh hưởng của điều kiện hình thành đến các đặc trưng (kiến trúc, cấu tạo, thế nằm) và tính chất của đá

q Các đặc trưng: thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm của đá

n Giải thích được sự ảnh hưởng của thành phần khoáng vật đến các đặc trưng, tính chất của đá.

§1.2 ĐÁ TRẦM TÍCH

Nội dung nghiên cứu:

I Sự hình thành đá trầm tích

1 Định nghĩa

Đá trầm tích là loại đá được hình thành trên bề mặt đất, do quá trình trầm đọng và tích tụ các loại vật liệu phá hủy từ đá có trước hoặc do tích đọng xác sinh vật.

2 Quá trình hình thành đá trầm tích:

• Trầm đọng từ mảnh vụn phong hóa

- Giai đoạn phá hủy đá có trước, tạo vật liệu trầm tích

- Giai đoạn vận chuyển và trầm đọng

- Giai đoạn keo kết, hóa đá

• Trầm đọng do kết tủa: đá vôi, dolomite, thạch cao…

• Trầm đọng từ xác sinh vật: than đá, san hô, đá vôi vỏ

sò…

Trầm tích sinh học

đất

không

dính

đất dính

a Trầm đọng từ mảnh vụn phong hoá

Vật liệu vận

chuyển: hoà tan,

lơ lửng, xô lăn,

Các quá trình phát triển trong giai đoạn hoá đá để hình thành đá trầm tích

Xảy ra 3 quá trình chuyển hoá để hoá đá:

q Nén chặt

q Keo kết xi măng hoá

n Vật chất xi măng: silic, oxyd sắt, calcite, sét, trong đó silic là chất gắn kết tốt nhất

q Kết tinh

Làm cho đất mềm rời biến thành đá: cuội, sỏi, cát, bột, sét → cuội kết, sỏi kết, cát kết, bột kết, sét kết

tủa Nước biển từ

đại dương tiếp tục

bổ sung (mũi tên

c Trầm đọng từ xác sinh vật

n Sự hình thành trầm tích sinh vật

Lignite – than non

Anthracite – than đá

Một số loại trung gian

n Trung gian giữa trầm tích vụn rời và trầm tích hoá học:

1 Trầm tích mềm rời: cuội, sỏi, cát, bột (bụi), sét

2 Trầm tích keo kết: cuội kết, sỏi kết, cát kết, bột

kết, sét kết

3 Trầm tích hoá học: đá vôi, đôlômit, thạch cao,

muối mỏ

4 Trầm tích sinh vật: than đá, san hô, đá vôi vỏ sò

5 Một số loại trung gian (hổn hợp): sét vôi, vôi

sét, bùn, than bùn

II Phân loại đá trầm tích

Đá bột kết

Than đá

III Thành phần khoáng vật của đá trầm tích

1 Khoáng vật tàn dư: các khoáng vật của đá có

trước còn giữ lại chưa bị biến đổi, thường là cáckhoáng vật trong các mảnh vụn của trầm tíchvụn cơ học

2 Khoáng vật thuần túy: là các khoáng vật hình

thành do sự kết tủa từ dung dịch thật VD: thạchcao, halite, opan Thường là thành phần của trầmtích hóa học và chất xi măng gắn kết trong trầmtích keo kết

3 Khoáng vật thứ sinh: là những khoáng vật sinh

ra từ những khoáng vật có trước do biến đổi hóahọc

Al4Si4O10(OH)8KAl4[AlSi7O20] (OH)4CaCO3

CaMg(CO3)2CaSO4.2H2O

Hoá thạch động vật

Hoá thạch thực vật

Petrified wood fossil formed through permineralization The internal structure of the tree and bark are

maintained in the

permineralization process

Đặc điểm chung thành

phần khoáng vật của đá trầm tích:

• Khoáng vật thuần tuý

là khoáng vật nguyên sinh, ngoại sinh

• Bền vững trong điều

kiện môi trường

IV Kiến trúc và cấu tạo của đá trầm tích

1 Trầm tích vụn rời - kiểu kiến trúc hạt

n Hòn lớn ( > 200mm), hạt dăm (200-20mm), hạt sạn(20-2mm),

hạt cát(2-0,05), hạt bột(0,05-0,005), hạt sét(<0,005mm)

2 Trầm tích keo kết - kiểu kiến trúc keo kết:

n Keo kết cơ sở: các hạt nằm trong chất gắn kết không tiếp xúc

với nhau Cường độ và tính chất của đá chủ yếu quyết định bởi cường độ và tính chất của xi măng

n Keo kết lấp đầy: các hạt tiếp xúc nhau, lỗ hổng giữa các hạt

được lấp đầy bằng các chất gắn kết

n Keo kết tiếp xúc: các chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa

các hạt; trong đá có nhiều lỗ hổng Vật chất xi măng gắn kết đá: silic, oxyd sắt, calcite hoặc sét, trong đó silic là chất gắn kết tốt nhất

3 Trầm tích hoá học - kiểu kiến trúc kết tinh

4 Trầm tích sinh vật - gọi theo tên đá

1 Kiến trúc của đá trầm tích

2 Cấu tạo của đá trầm tích

Các loại cấu tạo của đá trầm tích bao gồm:

-Cấu tạo khối: cấu tạo có các hạt tạo đá sắp xếp lộn xộn Cấu tạo này làm cho đá đồng nhất, bền vững

-Cấu tạo lớp: cấu tạo đặc trưng cho đá trầm tích, các lớp có thể khác nhau về thành phần khoáng vật, thành phần hạt, các tạp chất…phát sinh do sự thay đổi trầm tích có chu kỳ hoặc do tích tụ gián đoạn

C ấu tạo lớp được mô tả bằng hình vẽ trên, theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống:

lớp mỏng; lớp dày; lớp xen kẹp; thấu kính (lense) và bướu nhỏ (nodule); lớp xiên; lớp xiên chéo; gò; phân nhịp

2 Thế nằm thứ sinh: Do chuyển động kiến tạo, đá có thế

nằm nghiêng hoặc uốn cong

q Nếp uốn (nếp lồi, nếp lõm)

q Phức nếp uốn (phức nếp lồi, phức nếp lõm)

q Đơn nghiêng

n Thế nằm nguyên sinh (nằm ngang) và thứ sinh (nếp uốn) do vận động kiến tạo

Thế nằm nguyên sinh

Thế nằm nguyên sinh

Nếp uốn lõm (Syncline, eastern Tennessee)

Phức nếp uốn

Đơn nghiêng

Đường hướng dốc

α

α

Yêu cầu khi học bài đá trầm tích

Đọc giáo trình kết hợp slides để tìm kiếm các thông tin về:

n Hiểu và nhớ được 3 giai đoạn hình thành đá trầm tích keo kết, phân biệt với 3 quá trình hoá đá của chúng.

n Hiểu được bản chất của quy luật trầm đọng tuyển lựa theo đường kính hạt.

n Hiểu được thế nằm nguyên sinh và thứ sinh của đá.

§1.3 ĐÁ BIẾN CHẤT

Nội dung:

1. Sự hình thành đá biến chất

2. Phân loại đá biến chất

3. Thành phần khoáng vật của đá biến chất

4. Kiến trúc và cấu tạo của đá biến chất

5. Thế nằm của đá biến chất

6. Một số loại đá biến chất chính

1 Sự hình thành đá biến chất

• Đá biến chất được hình thành trong lòng đất do biến

chất các đá có trước dưới tác dụng của các tác nhân:

+ Nhiệt độ + Ứng suất + Áp suất + Dung dịch thuỷ nhiệt

• Kết quả làm thay đổi thành phần khoáng vật, kiến

trúc và cấu tạo

• Có 4 quá trình biến chất:

a biến chất tiếp xúc c biến chất động lực

b biến chất khu vực d biến chất thủy nhiệt

a Biến chất tiếp xúc: do tác nhân nhiệt độ gây ra

n Khi khối magma đi lên mất nhiệt, đá vây quanh bị nung nóng, xảy ra các quá trình hoá lý làm biến chất đá

n Biến chất tiếp xúc chỉ xảy ra ở chỗ tiếp xúc của đá vây quanh với khối magma Càng ra xa mức độ biến chất càng giảm, hình thành nên một đới biến chất xung quanh khối magma dày từ vài cm đến vài km.

n Quá trình biến chất bắt đầu ở nhiệt độ trên 2000C với sự phá vỡ mạng tinh thể để hình thành khoáng vật mới Quá trình kết thúc ở nhiệt độ trên 600-12000C khi nóng chảy hoàn toàn

Chiều dày đới biến chất phụ thuộc kích

thước và nhiệt độ khối xâm nhập

b.Biến chất khu vực: tác nhân gây biến chất là nhiệt

độ và áp suất

n Theo độ sâu T, P đều

tăng, đạt ngưỡng nào

c Biến chất động lực: tác nhân là áp suất và nhiệt độ

n Ở các vùng kiến tạo tạo núi, do lực ép kiến tạo, áp suất tăng đồng thời nhiệt độ cũng tăng gây biến chất đá

n Càng vào tâm khu vực nén ép, biến chất càng tăng

n Đá nguyên thủy bị cà nát, chỉ thay đổi kiến trúc, cấu tạo

mà không biến đổi về thành phần khoáng vật cũng như thành phần hóa học

d Biến chất thuỷ nhiệt

n Khi các khí và dung dịch từ khối magma xâm nhập vào

đá, xảy ra sự thay thế các nguyên tố trong các khoáng vật tạo đá làm biến chất đá

n Xảy ra trên bề mặt các kẽ nứt đá ở khu vực gần các khối magma, phạm vi biến chất không lớn

stresses result in folding

of rock and thickening of

the crust, tends to push

rocks to deeper levels

There they are subjected to

higher temperatures and

2 Thành phần khoáng vật của đá biến chất

n Khoáng vật tàn dư: khoáng vật của đá ban đầu

không bị biến đổi trong quá trình biến chất

n Khoáng vật thuần túy: hình thành trong quá trình

biến chất – là các khoáng vật nội sinh.

n Đặc điểm của khoáng vật của đá biến chất:

n Cường độ cao

n Kém ổn định trong điều kiện môi trường

n Thông thường tỷ trọng cao, không chứa nước hoặc nghèo nước

Một số khoáng vật chính

Thạch anhFendsparMuscoviteBiotiteChloriteEpidote

SiO2(K,Na,Ca)(AI,Si)4O8KAl2AlSi3O10(OH)2K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2

Mg5AI2Si3O10(OH)8

Ca2(AI,Fe)3Si3O12.OH

Thành phần kv, loại đá biến đổi theo mức độ biến chất

3 Kiến trúc, cấu tạo của đá biến chất

Kiến trúc

n Kiến trúc biến tinh, tái kết tinh: các khoáng vật đá ban

đầu có thể được kết tinh (trường hợp biến chất từ đá trầm tích gắn kết) hoặc tái kết tinh (đối với đá magma và trầm tích hóa học) Sự kết tinh này của khoáng vật xảy ra ở trạng thái cứng, còn khi ở nhiệt độ cao nhất thời có thể xuất hiện các vùng nóng chảy cục bộ rồi sau đó xảy ra sự kết tinh và sắp xếp lại các tinh thể khoáng vật VD: đá

hoa, Quartzite

n Kiến trúc vảy: đặc trưng cho đá có khoáng vật dạng vảy,

dạng phiến được định hướng theo một phương nào đó Kiến trúc này đặc trưng cho các loại đá phiến và thường kém ổn định khi chịu phong hóa