bài giảng môn cơ học đất

Khái niệm về khoáng vật và khoáng vật tạo đá 2. Khái niệm về đất đá 3. Đá magma 4. Đá trầm tích 5. Đá biến chấtKhái niệm về khoáng vật và khoáng vật tạo đá 2. Khái niệm về đất đá 3. Đá magma 4. Đá trầm tích 5. Đá biến chấtKhái niệm về khoáng vật và khoáng vật tạo đá 2. Khái niệm về đất đá 3. Đá magma 4. Đá trầm tích 5. Đá biến chất

Phần 1

Chương 1

KHOÁNG VẬT VÀ ĐẤT ĐÁ

Bài 1

KHÁI NIỆM VỀ KHOÁNG VẬT

VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

Cơ Học Đất Phần giới thiệu

I Khái niệm về khoáng vật

II Các trạng thái & dạng tồn tại của KV III Các tính chất vật lý của KV

IV Phân loại KV

I Khái niệm về khoáng vật

 Định nghĩa khoáng vật

 Ý nghĩa của việc nghiên cứu khoáng vật

Khoáng vật là những đơn chất hoặc hợp chất hoá học tồn tại trong tự nhiên, được thành tạo do các quá trình hoá học

và vật lý nhất định trong vỏ trái đất hoặc trên mặt đất, có thành phần và tính chất vật lý xác định

Khoáng vật tạo đá: là những khoáng vật tham gia chủ yếu

vào thành phần của đá

Định nghĩa khoáng vật

– Khoáng vật là những thành phần cấu tạo nên

đá, do vậy khi nghiên cứu khoáng vật giúp

ta hiểu biết được nguồn gốc và điều kiện hình thành của đá

– Nghiên cứu khoáng vật giúp ta nhận xét khả

năng sử dụng của đất đá trong xây dựng công trình

Ý nghĩa của việc nghiên cứu khoáng vật

II Các trạng thái và dạng tồn tại

của KV

Đến nay, khoa học đã biết được có hơn 2500 khoáng vật, trong đó gần 50 khoáng vật là phổ biến tham gia vào quá trình tạo đá Một số ít khoáng vật có thể từ vũ trụ đến như bụi vũ trụ, thiên thạch

– Rắn: CaCO3, Cu, CaSO4.2H2O

Líp nguyªn tè tù nhiªn: Đång, Cu

Dạng kết tinh

Hình thành:

Do sự kết tinh các nguyên tố hoá học thành những tinh thể gắn kết lại với nhau (Các nguyên tử, phân tử, ion trong tinh thể phân bố một cách tuần hoàn trong không gian)

Hình thành:

Các phân tử vật chất tạo thành khoáng vật không sắp

xếp theo một trật tự có tính quy luật tuần hoàn trong

không gian (hay không tạo thành mạng tinh thể)

Đặc điểm:

- Có tính đẳng hướng,

- Khi nung nóng thì

thay đổi trạng thái từ từ,

mềm dần rồi chuyển sang

lỏng

Tectit (siO2)

Dạng vô định hình

Dạng keo

Khoáng vật tồn tại trong các dung dịch keo, các hạt keo có tính chất đặc biệt, phức tạp Ví dụ: Dung dịch phù sa, bentonit …

Hổ phách

1 Hình dạng tinh thể khoáng vật

2 Màu của khoáng vật

3 Độ trong suốt và ánh của khoáng vật

4 Tính cát khai của khoáng vật

• Dạng đẳng thước: Cấu trúc

tinh thể K/v kéo dài theo 3 phương

VD: dạng hạt, dạng cầu như Halit,

vẩy, dạng lá như Mica, barit…

• Dạng kéo dài 1 phương:

Dạng que, dạng kim, dạng sợi, như

Antimoan, hocblen, thạch anh

Cấu trúc tinh thể và mạng tinh thể

Kim Cương

Than Chì

2 Màu của khoáng vật

Màu của vết vạch có thể khác màu khoáng vật

• Màu của khoáng vật có được do chúng chứa các nguyên

tố hoá học mang màu ( Ti, Cr, Fe, …) Vì vậy màu khoáng

vật thể hiện thành phần hóa học của khoáng vật

• Nhiều khoáng vật chỉ có một màu cố định (Clorit màu lục, Limônit màu nâu) Khi lẫn tạp chất khoáng vật mang nhiều màu khác nhau ( Thạch anh có thể không màu, tím, đen, nâu, vàng)

• Màu của khoáng vật quan sát được phụ thuộc điều kiện ánh sáng, trạng thái mặt ngoài của khoáng vật

• Màu khoáng vật quyết định màu đá Ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ nhiệt của đá

Th¹ch anh

2 Màu của khoáng vật

Limonit Berin (hång ngäc)

2 Màu của khoáng vật

Độ trong suốt: Khả năng cho ánh sáng đi qua của KV

Nöa trong suèt

Th¹ch cao, sfalerit

3 Độ trong suốt và ánh khoáng vật

Ánh của khoáng vật: là phần ánh sáng phản xạ

có tần số dao động không đổi khi ta chiếu ánh

sáng vào khoáng vật

Chia ra các loại:

• Ánh thuỷ tinh: thạch anh, canxit

• Ánh kim cương: Kim cương, ziacon, rutin

• Ánh kim: pyrit

• Ánh á kim: Hematit (Fe2O3), thần sa (HgS)

3 Độ trong suốt và ánh khoáng vật

Tính cát khai: khả năng của những tinh thể khoáng vật

hoặc hạt tinh thể khoáng vật có thể bị tách vỡ thành tấm hoặc khối theo những mặt phẳng song song (mặt cắt khai)

Chia ra các mức độ :

• Cát khai rất hoàn toàn: Mica, clorit

• Cát khai hoàn toàn: Canxit, Halit

• Cát khai trung bình: Piroxen, amphibôn

• Cát khai không hoàn toàn: Thạch anh

4 Tính cát khai của khoáng vật

canxit

Vết vỡ là mặt vỡ không theo quy tắc của khoáng vật

Vết vỡ vỏ sò

Thạch anh

Các khoáng vật có tỷ trọng rất khác nhau và dao động trong khoảng phạm vi khá lớn Tỷ trọng hụ thuộc vào thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể của KV

Theo tỷ trọng, chia thành 3

nhóm khoáng vật:

Nhẹ: Tỷ trọng < 2,5 Trung bình: Tỷ trọng = 2,5  4,0 Nặng: Tỷ trọng > 4,0

Khoáng Vật Tỷ trọng Khoáng Vật Tỷ trọng Thạch anh 2,65  2,66 Plagiocla 2,60  2,78 Canxit 2,71  2,72 Muscovit 2,50  3,10 Đôlômit 2,80  2,99 Biotit 2,69  3,40 Anhidrit 2,50  2,70 Piroxen 3,20  3,60 Thạch cao 2,30  2,40 Amfibon 2,99  3,47 Octocla 2,50  2,62 Olivin 3,18  3,45

Tỷ trọng một số khoáng vật tạo đá chính

7 Tỷ trọng

IV Phân loại khoáng vật

Mục đích

Mô tả khoáng vật một cách có hệ thống

Làm rõ mối quan hệ giữa các khoáng vật trong đá

 Đánh giá sơ bộ tính chất của khoáng vật và tính chất xây dựng của đất đá

1 Theo nguồn gốc

• Khoáng vật nguyên sinh: Là khoáng vật hình

thành từ các phần tử cơ bản trong các quá

trình macma, trầm tích hoá học và biến chất

• Khoáng vật thứ sinh: Là khoáng vật hình thành

từ quá trình biến đổi các khoáng vật khác

Thường hình thành từ quá trình trầm tích, quá trình biến chất

2 Theo điều kiện thành tạo

• Khoáng vật nội sinh: do các dạng năng lượng

nhiệt và áp suất bên trong trái đất phát sinh

• Khoáng vật ngoại sinh: do các quá trình địa

chất ngoại động lực như quá trình phong hoá,

quá trình trầm tích

Khoáng vật nào chiếm đa số trong một loại đá sẽ quyết định

tính chất của loại đá đó và gọi là khoáng vật tạo đá

•Khoáng vật chính: > 5% khối lượng trong một đá

•Khoáng vật phụ: < 5% khối lượng trong một loại đá

Tuy nhiên: Việc phân loại này đối với đất là chưa phù hợp

3 Theo vai trò tạo đá

Theo hàm lượng khoáng vật trong đá, có:

– Lớp 1: Các nguyên tố tự nhiên VD: vàng (Au), kim

cương (C)

– Lớp 2: Sulfua VD: Pyrit (FeS2), galenit (PpS)

– Lớp 3: Halogenua VD: Halit (NaCl)

– Lớp 4: Cabonat VD: Canxit (CaCO3), dolomit

(CaMg(CO3)2)

– Lớp 5: Sulfat VD: Thạch cao (CaSO4.2H2O)

– Lớp 6: Phosphat VD: Apatite Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)

– Lớp 7: ôxit VD: Thạch anh (SiO2), Coridon(Al2O3)

– Lớp 8: Silicat VD: Felpat KAlSi3O8

– Lớp 9: Các chất của hữu cơ

4 Theo thành phần hóa học: chia thành 9 lớp

Líp nguyªn tè tù nhiªn:

§ång, Cu

Lớp nguyên tố tự nhiên: Vàng, Au

Lớp nguyên tố tự nhiên:

Kim cương, C

Graphit Cabon, C

Lớp sulfua: Pyrite, FeS 2

Lớp sulfua: Pyrite, FeS 2

Lớp sulfua: Galena, PbS

Lớp sulfua:

Galena – pyrite, PbS – FeS 2

Lớp sulfua: Thần sa (cinabar), HgS

Lớp sulfua: Chalcopyrite, CuFeS 2

Lớp Sulfua:

Sphalerite, ZnS

Lớp Halogenua: Halite, NaCl

Lớp Halogenua: Flourite, CaF 2

Lớp cacbonate:

Lớp cacbonate: Malachite, Cu 2 (OH) 2 CO 3

Lớp Sulfate: Thạch cao, CaSO 4 2H 2 O

Lớp Sulfate: Barite, BaSO 4

Lớp phosphate: Apatite, Ca 2 F(PO 4 ) 3

Lớp OXIT Thạch anh, SiO 2

Lớp OXIT Corundum (hồng ngọc), Al 2 O 3

Lớp OXIT Corundum (hồng ngọc), Al 2 O 3

Lớp OXIT

Corundum (sapphire), Al 2 O 3

Lớp Silicate

Talc, Mg[Si 4 O 10 ](OH) 2

Lớp Silicate

Muscovite (Mica), KAl 2 [Si 3 O 10 ](OH) 2

Lớp Silicate Kaolinite, Al 4 [Si 4 O 10 ](OH) 8

Líp Halogenua

NaCl

Líp Sunfat

CaSO 4 2H 2 O

Líp silicat: muèi cña axit silicit

Líp oxit: SiO 2

Đất đá là tập hợp cơ học của một hoặc nhiều khoáng vật một cách có quy luật, có hoặc chưa có sự liên kết cứng, được thành tạo do tác dụng của các quá trình hóa lý khác nhau diễn ra trên mặt hay trong vỏ quả đất, hoặc do các vụn đá kết lại với nhau

I Định nghĩa về đất đá

• Đất đá được tạo thành từ một loại khoáng vật thì được gọi

là đất đá đơn khoáng, tên của chúng là tên của khoáng vật

tạo lên chúng (thạch cao,…)

Granit

-- Các thành phần của đá được liên kết với nhau bởi

các liên kết bền: Liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên

học, tính chất cơ học và tính chất đối với nước

Sự khác nhau đó sinh ra do mối liên kết giữa các thành phần trong chúng gây ra:

II Các đặc trưng cơ bản của đất đá

Có 4 đặc trưng cơ bản của đất đá:

Thành phần khoáng vật Kiến trúc

Cấu tạo Thế nằm

II Các đặc trưng cơ bản của đất đá

• TP khoáng vật: khái niệm chỉ sự có mặt của các khoáng vật trong đá và tỷ lệ hàm lượng của chúng

• Kiến trúc: khái niệm chỉ các yếu tố hình dạng và kích thước, mức độ đồng đều và mối liên kết giữa các hạt

Kiến trúc thể hiện đặc điểm của các hạt hợp phần

II Các đặc trưng cơ bản của đất đá

• Cấu tạo: khái niệm chỉ sự sắp xếp, định hướng của các hạt và mức độ chặt sít của chúng Thể hiện mức

độ đồng nhất của khối đá

Cấu tạo của đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần vật chất của đất đá, sự hình thành trong các trường vật lý khác nhau: trường trọng lực, trường áp lực, trường nhiệt, trường thủy lực …

• Thế nằm: khái niệm chỉ hình dạng, kích thước và mối quan hệ tiếp xúc của khối đá với đá vây quanh

Thể hiện tư thế của khối đá

III Phân loại đất đá

Theo quan điểm địa chất, về nguồn gốc chia ra:

– Đá magma

– Đất đá trầm tích

– Đá biến chất

I Sự hình thành và phân loại đá Mắc ma

1 Sự hình thành đá mắc ma

Đá mắc ma được hình thành do sự kết tinh, nguội

lạnh, đông cứng của dung nham magma khi

chúng xâm nhập vào hoặc trào lên trên vỏ quả đất

1 Sự hình thành đá mắc ma

CẤU TẠO QUẢ ĐẤT

Dung dịch magma được phát sinh

khi nhiệt độ và áp suất tăng lên đột ngột (do các phản ứng phân rã hạt nhân hoặc do va chạm các lục địa)

ở những độ sâu khác nhau

2 Phân loại đá mắc ma

Theo điều kiện hình thành

• Đá mắc ma xâm nhập: Đá mắc ma xuyên cắt vào các kẽ

hở, khe nứt của các tầng đất đá trong vỏ quả đất và nguội

đi, đông cứng lại

Tùy theo độ sâu xâm nhập lúc mới thành tạo chia ra: – Xâm nhập sâu

– Xâm nhập nông

Nông hay sâu phản ánh qua mức độ kết tinh

• Đá mắc ma phun trào: Dung nham mắc ma phun lên, chảy tràn trên mặt đất và nguội đi, đông cứng lại

Tùy theo thời gian từ lúc tạo thành đến nay chia ra:

– Phun trào cổ – Phun trào trẻ

Cổ hay trẻ phản ánh qua cấu tạo

2 Phân loại đá mắc ma

2 Phân loại đá mắc ma (tiếp)

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

• Đá magma axit: SiO2>65%

• Đá magma trung tính: SiO2 = 55% ÷ 65%

• Đá magma bazơ: SiO2 = 45% ÷ 55%

• Đá magma siêu bazơ: SiO2 < 45%

Lượng SiO2 quyết định tính chất của dung dịch magma và

tính chất của đá Khi lượng SiO 2 giảm thì dung nham magma kém linh động, màu của đá xẫm dần, tỷ trọng tăng, nhiệt độ nóng chảy giảm và đá magma dễ đánh bóng hơn

II Thành phần khoáng vật của đá magma

Dựa vào Quá trình thành tạo

• 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

Dựa vào màu sắc khoáng vật tạo đá

• Khoáng vật sáng màu: Thạch anh, fenspat, mica

• Khoáng vật sẫm màu: Amphibol, augit, piroxen, olivin

Kho¸ng vËt s¸ng mµu

Kho¸ng vËt sÉm mÇu

II Thành phần khoáng vật của đá mắc ma (tiếp)

• Tổng hàm lượng chung trong vỏ quả đất:

– Được hình thành ở nhiệt độ cao, áp suất lớn

– Hầu hết có mối liên kết hóa trị nên bền vững, độ cứng lớn – Dễ bị biến đổi trong điều kiện môi trường

III Kiến trúc của đá mắc ma

Theo mức độ kết tinh, phân loại thành:

– Kiến trúc toàn tinh: Các khoáng vật đều kết tinh, có

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

– Kiến trúc ban tinh (poocfia): một số khoáng vật lớn nổi

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

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

thấy được bằng mắt thường

– Kiến trúc thủy tinh: các khoáng vật không kết tinh, ở

dạng vô định hình

KiÕn tróc toµn tinh

KiÕn tróc ban tinh

(poocfia)

Kho¸ng vËt kÕt tinh Kho¸ng vËt nÒn

KiÕn tróc Èn tinh

KiÕn tróc thñy tinh

III Kiến trúc của đá mắc ma (tiếp)

• Theo kích thước hạt: Kiểu kiến trúc hạt

Theo kích thước hạt khoáng vật

IV Cấu tạo của đá magma

Theo quy luật sắp xếp

• Cấu tạo khối: Theo bất kỳ hướng nào trong đá các khoáng vật cũng phát triển như nhau ( Đặc trưng của đá magma xâm nhập)

• Cấu tạo dòng: Các hạt khoáng vật trong đá tập hợp thành dải theo hướng chuyển động của dòng dung nham magma (đặc trưng cho đá mắcma phun trào)

IV Cấu tạo của đá magma

III Cấu tạo đá macma

Chặt sớt

Lỗ rỗng

V Thế nằm của đá magma

– Dạng nền: khối đá có kích thước rất lớn, giới hạn

dưới thường không xác định được, đá vây quanh

không bị biến đổi vị trí

– Dạng nấm: Khối đá mắc ma xâm nhập có dạng hình

cây nấm, hoặc là một thấu kính với diện tích không lớn, đá vây quanh phía trên bị uốn cong thành vòm

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

cắt ngang tầng đá vây quanh, kéo dài trong phạm vi thay đổi

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

đá có trước, chiều dày nhỏ nhưng trải rộng đến hàng chục km2

Thế nằm của đá xâm nhập

– Dạng vòm: khi dung nham magma khá nhớt, đông

cứng ngay tại chỗ phún xuất

– Dạng dòng chảy: khi địa hình thuận lợi, magma

D¹ng líp Các thế nằm của đá magma

V Thế nằm của đá mắc ma

Thế nằm dạng vũm

V Thế nằm của đá mắc ma

Thế nằm dạng lớp – lớp phủ

Thế nằm dạng dòng

Thế nằm dạng lớp phủ

VI Tính chất xây dựng của đá mắc ma

Phần lớn các đá mắc ma đều có cường độ chịu lực cao, không thấm nước (nếu không có các khe

nứt), không hòa tan, vì vậy có thể dùng chúng làm

nền, làm vật liệu cho các công trình xây dựng

I Sự hình thành và phân loại đất đá trầm tích

1 Sự hình thành

Đất đá trầm tích được hình thành 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

I Sự hình thành và phân loại đất đá trầm tích

Sự tuần hoàn

của đá

• Nếu hình thành từ vật liệu phong hóa

– Giai đoạn phá hủy đá có trước

– Giai đoạn vận chuyển và trầm đọng

– Giai đoạn keo kết, hóa đá

– Giai đoạn biến đổi hậu sinh của đá trầm tích

• Hình thành từ quá trình tích tụ, hóa đá của xác sinh

vật

• Hình thành do bốc hơi: khi nước bốc hơi đi thì làm

nồng độ muối tăng và kết tủa

2 Quá trình hình thành đất đá trầm tích

• Trầm tích mềm rời: trầm tích chưa được gắn kết và hóa đá

– Mềm rời không dính: cuội (dăm), sỏi (sạn), cát

– Mềm rời dính: sét, sét pha, cát pha

• Trầm tích vụn keo kết: trầm tích mà các hạt vụn đó được xi

măng tự nhiên (oxit silic, oxit sắt, canxit, sét,….) gắn kết lại

Cuội (dăm) kết, sỏi (sạn) kết, cát kết, bột kết, sét kết

• Trầm tích hóa học: trầm tích do sự kết tủa, ngưng keo của

dung dịch keo và dung dịch hòa tan VD: muối mỏ, thạch cao,

đolomit

• Trầm tích sinh vật: trầm tích do xác sinh vật tham gia vào

thành phần tạo đá VD: Than đá, đá vôi vỏ sò, đỏ vôi san hô

3 Phân loại đất đá trầm tích

• Đá vôi vỏ

Trầm tích sinh hóa

Sỏi kết

vật Dăm kết

II Thành phần khoáng vật của đất đá trầm tích

1 Khoáng vật tàn dư: có nguồn gốc nguyên sinh, các

khoáng vật của đá có trước còn giữ lại chưa bị biến đổi, thường là các khoáng vật trong các mảnh vụn của trầm tích vụn cơ học

2 Khoáng vật thuần túy: có nguồn gốc thứ sinh, là các

khoáng vật hình thành do sự kết tủa từ dung dịch thật hoặc dung dịch keo Nó là thành phần chính trong đá trầm tích sinh hóa, là chất xi măng gắn kết trong đá trầm tích vụn keo kết VD: thạch cao, halit, opan

3 Các hóa thạch trong đá

điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp nên chúng khá ổn định với các tác nhân phá hủy