Địa chất công trình

Do đất đá có những đặc trưng cơ bản nêu trên nên ngoài việc nghiên cứu thành phần vật chất, thành phần khoáng vật của đất đá, trong khoa học địa chất công trình còn cần ph[r]

BÀI MỞ ĐẦU

1 ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH VÀ NHIỆM VỤ CỦA NÓ

1.1 Khái niệm về địa chất công trình

Địa chất công trình là môn khoa học địa chất chuyên nghiên cứu và vận dụng các tri thức địa chất vào việc:

1.2 Nhiệm vụ của địa chất công trình

Môn khoa học địa chất công trình nảy sinh do yêu cầu của xây dựng và khai thác lãnh thổ nên nó có những nhiệm vụ như sau:

- Xác định các điều kiện địa chất công trình của khu vực xây dựng, lựa chọn vị trí xây dựng cũng như các biện pháp công trình;

- Nêu các điều kiện thi công, dự đoán các hiện tượng địa chất trong thi công và trong sử dụng công trình;

- Đề ra các biện pháp phòng ngừa và cải tạo các điều kiện địa chất không có lợi 1.3 Điều kiện phát triển của khoa học địa chất công trình

Sự phát triển của địa chất công trình phụ thuộc vào 2 điều kiện:

- Điều kiện cơ sở: Sự phát triển của khoa học địa chất – ngành khoa học chuyên

nghiên cứu về thành phần, tính chất, cấu tạo và lịch sử phát triển của vỏ trái đất Khoa học địa chất phát triển sẽ có điều kiện để cung cấp những tri thức cần thiết cho khoa học địa chất công trình;

- Điều kiện lôi kéo và thúc đẩy: Sự phát triển của quy mô và kỹ thuật xây dựng,

khai thác tài nguyên đặt ra yêu cầu cao đối với địa chất công trình

Địa chất công trình là một môn khoa học trẻ nhưng đã có sự phát triển nhanh chóng trên thế giới và ở trong nước

Ở nước ta, trước năm 1945, địa chất công trình đã được thực dân Pháp nghiên cứu để phục vụ cho việc khai thác tài nguyên và xây dựng các công trình quân sự Tuy nhiên, việc nghiên cứu không mang tính hệ thống, thiếu kế hoạch, khối lượng nhỏ và nhiều trường hợp chưa đủ độ tin cậy

Từ khi hoà bình lập lại (năm 1954) trên cơ sở kế hoạch phát triển kinh tế, quốc phòng và khoa học kỹ thuật của đất nước, khoa học địa chất và địa chất công trình đã phát triển nhanh chóng và toàn diện, góp phần đáng kể vào việc giải quyết các nhiệm

vụ quan trọng của đất nước như khai thác mỏ sâu, phát triển giao thông, thuỷ lợi, thuỷ điện, xây dựng công nghiệp và dân dụng

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

Đối tượng nghiên cứu của địa chất công trình là đất đá, nước dưới đất, sự tác dụng qua lại của chúng với nhau và với môi trường bên ngoài Việc nghiên cứu các đối tượng nêu trên được tiến hành với các nội dụng chủ yếu như sau:

1, Nghiên cứu đất đá dùng làm nền, làm môi trường và làm vật liệu xây dựng công trình, cụ thể là:

ra các biện pháp xử lý chúng khi xây dựng hoặc sử dụng các công trình

3, Nghiên cứu nước dướt đất nhằm:

- Khắc phục những khó khăn do nước dướt đất có thể gây ra trong quá trình thi công và sử dụng công trình;

- Khai thác nước dưới đất phục vụ cho đời sống và sản xuất

4, Nghiên cứu các phương pháp khảo sát địa chất nhằm thăm dò, đánh giá các điều kiện địa chất công trình của khu vực một cách đầy đủ, chính xác, nhanh chóng và tiết kiệm nhất;

5, Nghiên cứu địa chất công trình khu vực phục vụ công tác quy hoạch:

- Quy hoạch xây dựng công nghiệp và dân dụng;

- Quy hoạch thủy lợi;

- Quy hoạch giao thông

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

Đối tượng nghiên cứu của địa chất công trình rất đa dạng và phức tạp nên phương pháp nghiên cứu cũng rất đa dạng, nhưng có thể tổng hợp thành 3 phương pháp chủ yếu như sau:

- Đánh giá các điều kiện địa chất trong khu vực và dự đoán các hiện tượng địa chất sẽ xảy ra trong tương lai

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, trước tiên cần tiến hành công tác thăm dò địa chất với các công việc sau:

- Khảo sát thăm dò địa chất, thu thập các tài liệu về sự phân bố, sắp xếp của đất

đá, các mẫu vật hoá thạch theo các mặt cắt địa chất đã định;

- Tiến hành các thí nghiệm trong phòng hoặc ngoài trời để xác định các tính chất vật lý, cơ học của đất đá, thu thập các tài liệu địa chất bằng phương pháp địa vật

lý như phương pháp địa chấn, phương pháp trọng lực, phương pháp địa từ

3.2 Các phương pháp tính toán lý thuyết

Việc nghiên cứu tính toán lý thuyết nhằm thiết lập các mối tương quan thể hiện bản chất vật lý của các hiện tượng địa chất, các đặc trưng vật lý, cơ học của đất đá Từ

đó, trên cơ sở những đặc trưng đã biết có thể tính toán để tìm ra những đặc trưng chưa biết một cách nhanh chóng

Trong một số trường hợp, phương pháp tính toán lý thuyết có thể sử dụng thay thế phương pháp khảo sát thăm dò địa chất hay thí nghiệm để tiết kiệm kinh phí và thời gian, hoặc sử dụng trong các trường hợp mà các phương pháp khác không thực

hiện được (tính lún, tính ổn định nền, tính lượng nước chảy đến hố móng, tính tốc độ phá hoại bờ )

3.3 Các phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự địa chất

a, Phương pháp thí nghiệm mô hình

Phương pháp thí nghiệm mô hình dựa trên cơ sở sự tương tự giữa các trường vật lý khác nhau ta có thể thay thế môi trường địa chất của khu vực bằng môi trường vật lý có điều kiện tương tự nhưng đơn giản hơn, kích thước nhỏ hơn để dễ nghiên cứu

Ví dụ: Sự tương tự giữa trường chuyển động của nước dưới đất với trường dẫn

điện; trường chịu lực của đất đá với trường chịu lực của môi trường đàn hồi

Phương pháp này giúp ta có thể dự đoán được các hiện tượng địa chất sẽ xảy ra

ở nền công trình khi thi công hoặc khi sử dụng dưới tác động của các nhân tố môi

trường (tải trọng công trình, áp lực nước ), giải được bài toán trong điều kiện biên

phức tạp

b, Phương pháp tương tự địa chất

Phương pháp tương tự địa chất là phương pháp có tính chất kinh nghiệm, được

dựa trên nguyên lý là: Đất đá được hình thành trong điều kiện như nhau, trải qua các quá trình ĐC giống nhau thì sẽ có các đặc trưng vật lý, cơ học tương tự nhau Trên

cơ sở đó ta có thể sử dụng các tài liệu địa chất của khu vực đã được nghiên cứu đầy đủ cho khu vực khác có điều kiện địa chất tương tự

Phương pháp tương tự địa chất giúp ta giảm bớt được khối lượng công tác khảo sát địa chất cho vùng dự định xây dựng công trình Phương pháp này có độ tin cậy không cao, vì vậy chỉ nên sử dụng ở giai đoạn quy hoạch, thiết kế sơ bộ Giới hạp áp dụng, kết quả thu được của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào khả năng, kinh nghiệm của người sử dụng và mức độ phức tạp của các điều kiện địa chất trong khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu địa chất công trình là một công tác phức tạp Việc phân ra các phương pháp nghiên cứu như trên là để thuận tiện cho việc xem xét và thực hiện Khi

áp dụng vào thực tế cần phải kết hợp chặt chẽ các loại phương pháp trên khi nghiên cứu địa chất công trình nhằm đạt được các kết quả một cách đầy đủ, chính xác và nhanh chóng nhất

MỤC LỤC

1.3 Điều kiện phát triển của khoa học địa chất công trình 3

3.3 Các phương pháp thí nghiệm mô hình và tương tự Địa chất 5

1.1 VỎ QUẢ ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT DIỄN RA TRONG NÓ 7

1.6.2 Phân loại đất đá tổng quát của F.P Xavalenxki 49

2.2.4 Phân loại tầng chứa nước theo điều kiện phân bố 55

2.3.2 Trữ lượng của nước dưới đất 60

2.4.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến động thái của nước dưới đất 61

3.2.2 Tầng tàn tích (eluvi – e) và các đặc điểm địa chất công trình của nó 79 3.2.3 Điều tra và xử lý tầng đá phong hóa trong xây dựng 83

3.3.5 Phân loại lũng sông theo quan điểm địa chất công trình 90

4.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển karst 102

4.3.4 Xử lý karst khi xây dựng 103

5.1.1 Mục đích và yêu cầu của công tác khảo sát địa chất công trình 113

5.4 XÁC ĐỊNH TRỊ SỐ TÍNH TOÁN CỦA CÁC CHỈ TIÊU TÍNH CHẤT ĐẤT ĐÁ 129

5.5.1 Các loại bản đồ địa chất công trình và nhiệm vụ của nó 130 5.5.2 Nguyên tắc chung khi lập bản đồ địa chất công trình 132 5.5.3 Nội dung các loại bản đồ địa chất công trình 133 5.5.4 Phương pháp thành lập bản đồ địa chất công trình 134

XUẤT BẢN TẠI THƯ VIỆN ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Địa chỉ: Xuân Mai – Chương Mỹ - Hà Nội

Điện thoại: 0433.840822 Email: Thuvienlamnghiepcs1@gmail.com

Điểm lồi nhất trên bề mặt

lục địa (Đỉnh Everest trên dãy

Hymalaya) cao 8.850 m so với

mực nước biển Điểm lõm nhất

của đáy đại dương (Vũng

Marian thuộc biển Philipine) sâu

10.911m

Vận tốc quay ở xích đạo:

1.670 km/h

Quả đất có khối lượng

khoảng 6.1023 tấn và được cấu

tạo bởi các quyển đồng tâm như

sau (Hình 1.1.):

a, Quyển khí

Quyển khí có chiều dày

khoảng 500km, gồm các tầng

khác nhau bao bọc quanh quả

đất Tầng ion, hay còn được gọi

là thượng tầng khí quyển

(Thermosphere), tầng giữa

(Mesosphere) và tầng bình lưu

(Stratosphere) không ảnh hưởng

đến lớp vỏ trái đất Tầng đối lưu

dưới cùng (Troposphere) có ảnh

hưởng lớn đến đất đá và công trình xây dựng

Hình 1.1 Cấu tạo của quả đất

b, Quyển nước

Quyển nước gồm có các đại dương, biển, sông hồ và toàn bộ nước dưới đất Nước dưới đất có nhiệt độ từ dưới 00C đến trên 1000C và là một dung dịch phức tạp Nó biến đổi, chuyển động không ngừng và luôn tác động đến đất đá dười nhiều hình thức khác nhau

c, Quyển đất đá (thạch quyển) hay vỏ quả đất (Crust)

Quyển đất đá hay vỏ quả đất có chiều dày 5 ÷ 70km, trung bình là 35km Trong

đó vỏ đại dương dày 5 ÷ 15km, vỏ lục địa dày 15 ÷ 70km

Thành phần chủ yếu, chiếm tới 95% vỏ quả đất là đá Magma và đá biến chất Đất đá trầm tích chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ nhất (khoảng 5%) nhưng lại bao phủ tới 75% bề mặt trái đất nên chúng là loại đất đá sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng công trình

d, Quyển manti (Mantle)

Quyển manti phân bố ở độ sâu 60 ÷ 2900km, ở thể đặc lỏng (thể quánh dẻo)

Cấu tạo của quyển manti phần lớn gồm các hợp chất oxit silic, oxit mangan và oxit sắt

Quyển manti được phân thành hai lớp là lớp manti trên (Upper Mantle) và lớp manti dưới (Mantle)

+ Manti trên:

Lớp manti trên ở độ sâu 60 ÷ 800km, chứa lượng nguyên tố phóng xạ phân hủy lớn, tạo nên nguồn nhiệt bên trong của vỏ quả đất và là nguyên nhân phát sinh ra hiện tượng động đất, núi lửa

+ Manti dưới:

Lớp manti dưới chiếm 50,8% thể tích và 43% khối lượng của quả đất, nằm ở độ

sâu 800 ÷ 2900km, do có nhiệt độ cao (2.800 ÷ 3.800 0 C) và áp suất lớn (100.000 ÷ 1.300.000at) nên vật chất trong lớp này ở trạng thái nén chặt Đây là vùng yên tĩnh,

không ảnh hưởng đến các hiện tượng địa chất ở lớp vỏ của quả đất

e, Nhân quả đất (Eath Core)

Nhân quả đất nằm ở độ sâu hơn 2.900km và chiếm 16,5% thể tích quả đất, gồm

có hai lớp là lớp nhân ngoài (Outer Core) và lớp nhân trong (Inner Core)

Lớp nhân ngoài (ở độ sâu 2.900 ÷ 5.100km), vật chất ở thể đặc dẻo

Lớp nhân bên trong (ở độ sâu trên 5.100km), vật chất ở thể rắn Do tác dụng của nhiệt độ cao (khoảng 4.000 0 C) và áp suất lớn (1,5 ÷ 3,5 triệu at) làm cho các lớp

điện tử của các nguyên tử bị phá hủy, các nguyên tử xích lại gần nhau, trở nên rất chặt

và bão hòa điện tử tự do, đây chính là nguyên nhân sinh ra từ trường của quả đất

Theo A.E Fexman và V.V Belouxov, cấu tạo của quả đất và lớp vỏ của nó bao

gồm các nguyên tố hóa học chủ yếu như sau (Bảng 1.1.):

Bảng 1.1 Hàm lượng các nguyên tố chủ yếu tạo nên quả đất và vỏ quả đất

Tạo nên quả đất, %

(Theo V.V Belouxov) 36,9 29,3 14,9 6,7 3,0 2,9 2,9 0,9 0,3 0,7

Tạo nên vỏ quả đất, %

(Theo A.E Fexman) 4,2 49,2 26 2,4 7,5 3,3 2,4 2,4 2,4 1,5

1.1.2 Các trường vật lý của quả đất

Sự vận động, sự phân bố và các thuộc tính của vật chất trong quả đất nói chung

và lớp vỏ quả đất nói riêng đã tạo nên các trường vật lý cơ bản của quả đất như trường trọng lực, trường từ, trường nhiệt Các trường vật lý này trực tiếp tham gia hoặc tác động đến các hiện tượng địa chất diễn ra trong lớp vỏ của quả đất

các loại đất đá rỗng, tơi xốp (đá trầm tích trẻ, đá chứa dầu khí) và sẽ tăng lên ở những nơi phân bố các loại quặng (nhất là quặng sắt)

b, Trường từ

Quả đất là một khối từ khổng lồ với vị trí cực địa từ thay đổi chậm theo thời gian Hiện tại cực địa từ gần trùng với cực địa lý Ở những vùng phân bố các loại đá hoặc quặng mang từ tính sẽ có từ trường bất thường

Nguyên nhân sinh ra từ trường của quả đất cũng như sự thay đổi vị trí cực địa

từ chưa được giải thích một cách đầy đủ và còn có những quan điểm khác nhau

c, Trường nhiệt

Trường nhiệt của của quả đất cũng còn nhiều điều chưa được rõ rệt, nhưng cũng

có thể thấy rằng có hai nguồn nhiệt cơ bản là nội nhiệt và ngoại nhiệt

Ngoại nhiệt sinh ra chủ yếu do sự đốt nóng của mặt trời đối với lớp mặt bên

trên của vỏ quả đất, nó thay đổi theo thời gian và không gian (theo các mùa và các đới khí hậu) Ảnh hưởng của nhiệt mặt trời không sâu, tối đa chỉ đến vài chục mét

Nội nhiệt sinh ra do các phản ứng hóa học, phản ứng hạt nhân trong lòng quả đất

Trong lớp vỏ quả đất, nhiệt độ thay

đổi theo ngày, theo mùa xảy ra ở trên đới

thường ôn Ở bên dưới đới thường ôn nhiệt

độ sẽ tăng dần theo độ sâu (Hình 1.2.)

Ở đới thường ôn, nhiệt độ xấp xỉ

nhiệt độ trung bình năm của vùng trên mặt

đất Hệ số tăng nhiệt độ theo chiều sâu chính

là cấp địa nhiệt của vùng



0

Z Z t

t z  bq  

Trong đó: tz – Nhiệt độ tại độ sâu Z

m, 0C;

Tbq – Nhiệt độ tại đới thường ôn, 0C;

Z0 – Độ sâu của đới thường ôn, m;

α – Cấp địa nhiệt của vùng, m/0C

(α = 30 ÷ 35 m/ 0 C)

Những vùng có cấp địa nhiệt thay đổi nhiều thường có cấu tạo địa chất chưa ổn định, các hiện tượng địa chất còn đang diễn ra mạnh mẽ

1.1.3 Các hiện tượng địa chất xảy ra trong vỏ quả đất

Sự tác động tổng hợp của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học diễn ra trong lòng đất hay trên mặt đất theo những quy luật nhất định của tự nhiên với chiều thuận nghịch khác nhau, làm cho vỏ quả đất luôn biến đổi một cách đa dạng và phức tạp

(như các hiện tượng kiến tạo, magma, động đất, biến chất làm phân cắt địa hình phong hóa, tác dụng địa chất của dòng sông )

Việc nghiên cứu các hiện tượng địa chất sẽ cho ta những cơ sở chắc chắn để suy diễn lại quá khứ, dự đoán tương lai của những vấn đề địa chất

a, Hiện tượng magma

Hiện tượng magma là hiện

tượng các khối đất đá nóng chảy

bão hòa khí (dung nham) từ các

lớp dưới sâu theo các khe nứt

xâm nhập lên lớp vỏ quả đất rồi

nguội lạnh, đông cứng lại tạo

chậm chạp và thường kèm theo hiện tượng động đất, núi lửa

Núi lửa phun trào trên mặt đất tạo nên những đám mây bụi khổng lồ Đá nguồn

gốc núi lửa (đá phún trào) do dung nham đông nguội tạo nên thường có tính phân

tầng, phân lớp

Núi lửa phun trào dưới đáy biển có thể gây nên hiện tượng biển động, sóng thần và có thể tạo nên các đảo mới

b, Hiện tượng biến chất

Hiện tượng biến chất xảy ra do các loại đất đá có trước chịu tác dụng mạnh của nhiệt độ cao hay của áp suất lớn bị thay đổi thành phần, tính chất và tạo nên các loại đất đá biến chất

c, Hiện tượng kiến tạo

Hiện tượng kiến tạo là hiện tượng chuyển dịch của vỏ quả đất dưới tác dụng của các lực kéo nén làm cho đất đá bị vò nhàu, uốn nếp, nứt nẻ, đứt gãy

d, Hiện tượng phong hóa

Là hiện tượng các lớp đất đá bị phá hủy hoặc bị biến đổi tính chất dưới tác dụng của các nhân tố môi trường như nước, không khí, nhiệt độ, ánh sáng, thế giới sinh vật

e, Hiện tượng địa chất của các dòng nước mặt

Hiện tượng địa chất của các dòng nước mặt là quá trình bào mòn, vận chuyển

và tích đọng các loại đất đá trên mặt đất dưới tác dụng của các dòng nước mặt

1.2 KHÁI NIỆM VỀ KHOÁNG VẬT VÀ KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ

1.2.1 Khái niệm về khoáng vật

Khoáng vật là những chất hóa học tự nhiên ở dạng đơn chất hay hợp chất, được hình thành và tồn tại ổn định ở trong lớp vỏ hay trên bề mặt của quả đất trong những điều kiện địa chất nhất định

Khoáng vật có thể ở dạng khí, lỏng, dẻo; có thể là kim loại, đất đá Đối với đất

đá, tập hợp các phân tử tạo thành khoáng vật, tập hợp các khoáng vật tạo thành đất đá

Trong tự nhiên, khoáng vật chủ yếu ở trạng thái kết tinh Mỗi khoáng vật có các tính chất vật lý, hóa học riêng biệt Việc nghiên cứu các tính chất của khoáng vật giúp

ta nhận biết và thu thập được những thông tin về nguồn gốc hình thành và điều kiện tồn tại của khoáng vật cũng như của đất đá

Trong số hơn 2.800 khoáng vật đã biết trong tự nhiên chỉ có hơn 50 loại khoáng vật tham gia vào thành phần đất đá, gọi là khoáng vật tạo đất đá Chúng là đối tượng nghiên cứu của khoa học địa chất và địa chất công trình

1.2.2 Một số đặc tính của khoáng vật

a, Hình dạng tinh thể của khoáng vật

Các loại khoáng vật khác nhau khi kết tinh thường cho các dạng tinh thể khác

nhau Hình dạng tinh thể phản ánh kiến trúc bên trong của khoáng vật (kiến trúc tinh thể) Theo lý thuyết thì có tới 230 dạng kiến trúc tinh thể khác nhau Trong địa chất

công trình thường quan tâm đến đặc tính không gian của hình dạng tinh thể và chia chúng thành 3 loại tương đối như sau:

- Loại hình phát triển theo một phương: Tinh thể có dạng hình cột, hình que, hình sợi tóc (Tuamalin, Amfibol, Atbet );

- Loại hình phát triển theo hai phương: Tinh thể có dạng hình tấm, hình vẩy, hình lá (Mica, Clorit, Bentonit );

- Loại hình phát triển theo ba phương: Tinh thể có dạng hình hạt (Halit, Pirit, Granat )

Đá chứa khoáng vật dạng que, dạng sợi thường kém giòn, có tính dị hướng cao

Đá chứa khoáng vật dạng tấm thì giòn, thường có cấu tạo phiến, lớp điển hình Đá chứa khoáng vật dạng hạt thì dễ đồng nhất và đẳng hướng trong nhiều tính chất cơ lý

Trong thực tế, đá chủ yếu được tạo nên từ các khoáng vật dạng tấm (đá phiến mica, đá sét ), nhiều đá lại chủ yếu gồm các khoáng vật dạng hạt (đá hoa, granit, cát kết ), một số đá có cả khoáng vật dạng tấm và dạng hạt (granit, mica, đá cát pha sét )

Trong thiên nhiên ít thấy loại đá đơn tinh thể phát triển hoàn chỉnh mà thường là tập hợp các tinh thể dạng tóc, dạng trứng cá, dạng hạt đậu, dạng đất chen kẹp lẫn nhau

b, Màu của khoáng vật

Màu của khoáng vật do thành phần hóa học và các tạp chất quyết định Khoáng

vật chứa nhiều sắt (Fe), mangan (Mn) thường có màu sẫm, chứa nhiều nhôm (Al), silic (Si) thường có màu sáng nhạt

Nhiều khoáng vật chỉ có một màu cố định như Clorit màu lục, Limonit màu

nâu Khi có chứa tạp chất thì khoáng vật mang nhiều màu sắc khác nhau (Thạnh anh

có các màu trong suốt, tím, đen, nâu, vàng ) Khi quan sát màu của khoáng vật cần

chú ý tới điều kiện ánh sáng, trạng thái bề mặt của khoáng vật

Khi vạch một khoáng vật lên bề mặt tấm sứ nhám, chúng sẽ để lại một vết vạch

có màu đặc trưng cho bột của khoáng vật đó Thông thường, màu của khoáng vật và màu của vết vạch sẽ khác nhau, đôi khi mới có trường hợp giống nhau Nhìn chung, màu của vết vạch ít thay đổi hơn so với màu của khoáng vật nên nó là một dấu hiệu đáng tin cậy để nhận biết khoáng vật

Màu của khoáng vật quyết định màu và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nhiệt của đá Đá màu sẫm hấp thụ nhiệt mạnh hơn nên độ bền chống phong hóa thấp hơn c) Độ trong suốt của khoáng vật

Độ trong suốt của khoáng vật là khả năng cho ánh sáng xuyên qua khoáng vật,

nó phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của khoáng vật và các tạp chất trong nó

Dựa vào mức độ trong suốt, khoáng vật có thể chia thành các loại sau:

- Khoáng vật trong suốt: Thạch anh, thủy tinh, spat băng đảo…;

- Khoáng vật nửa trong suốt: Thạch cao, sfalerit…;

- Khoáng vật không trong suốt: Pirit, manhetit, grafit…

Một phần ánh sáng chiếu lên khoáng vật bị phản xạ trên bề mặt tạo thành ánh của khoáng vật Cường độ của ánh phụ thuộc vào chiết suất và đặc trưng bề mặt chứ không phụ thuộc vào màu của khoáng vật

Ánh được xác định trên bề mặt vết vỡ còn mới và bằng phẳng của khoáng vật Các khoáng vật tạo đá có các loại ánh đặc trưng sau:

- Ánh thủy tinh: Thạch anh, canxit,

feldspar, anhiđrit…;

- Ánh tơ: Tiêu biểu cho khoáng vật

dạng sơ như atbet…;

- Ánh đất: Đặc trưng cho các khoáng

d, Tính dễ tách (cát khai) của khoáng vật

Tính dễ tách là khả năng của tinh thể

và các hạt kết tinh (mảnh vỡ của tinh thể)

dễ bị tách ra theo những mặt phẳng song

song Mặt tách thường song song với các

mặt của mạng tinh thể có khoảng cách lớn

vì ở đó có mối liên kết yếu nhất

Tính dễ tách của khoáng vật được

- Tách hoàn toàn: Dùng búa đập nhẹ sẽ vỡ theo các mặt tách tương đối phẳng (Hình 1.4.);

- Tách trung bình: Trên mặt vỡ của tinh thể vừa có chỗ mặt tách tương đối hoàn chỉnh, vừa có chỗ vết vỡ không bằng phẳng theo các phương khác nhau (piroxene, amfibol );

- Tách không hoàn toàn: Khó thấy mặt tách mà thường là vết vỡ không quy tắc (thạch anh ) Tính chất này gọi là tính không tách của khoáng vật

Khoáng vật có thể tách theo một, hai hoặc ba phương với mức độ dễ tách khác nhau Tính dễ tách chỉ có ở vật chất kết tinh Đá chứa khoáng vật dễ tách thường giòn

Độ cứng của khoáng vật là khả năng khoáng vật chống lại các tác dụng cơ học

bên ngoài (khắc, rạch) lên bề mặt của nó Tính chất này phụ thuộc vào kiến trúc và sự

liên kết giữa các chất điểm bên trong khoáng vật

Độ cứng tương đối của khoáng vật được đánh giá bằng thang Mohs, còn Độ

cứng tuyệt đối của chúng được xác định bằng máy đo độ cứng TMT – 2 (Bảng 1.2.)

Bảng 1.2 Độ cứng tương đối (thang Mohs) và tuyệt đối của Khoáng vật

Có thể xác định độ cứng tương đối của khoáng vật bằng một số dụng cụ đơn giản có độ cứng theo thang Mohs như: Móng tay 2,5; Lưỡi dao sắt 3 ÷ 3,5; Mảnh kính

5 ÷ 5,5; Lưỡi dao thép 6 ÷ 6,5

Tuyệt đại đa số khoáng vật có độ cứng 2 ÷ 7 KV tạo đá có độ cứng nhỏ hơn 7

g, Tỷ trọng của khoáng vật

Tỷ trọng của khoáng vật phụ thuộc vào thành phần hoá học và cấu trúc tinh thể,

nó thay đổi trong một phạm vi tương đối lớn Những khoáng vật tạo đá thường có tỷ

Khi xác định khoáng vật cần tổng hợp các tính chất vật lý để rút ra những đặc trưng cơ bản nhất của từng loại KV chứ không nên chỉ dựa vào các tính chất vật lý một cách rời rạc

1.1.3 Phân loại khoáng vật và mô tả một số khoáng vật tạo đá chính

a Phân loại khoáng vật

Khi nghiên cứu khoáng vật, người ta thường phân loại chúng theo các đặc điểm, tính chất khác nhau để tiện lợi cho việc nghiên cứu cũng như sử dụng chúng Khoáng vật có thể phân loại như sau:

+ Theo nguồn gốc hình thành:

Theo nguồn gốc hình thành, khoáng vật được chia thành khoáng vật nguyên sinh và khoáng vật thứ sinh

- Khoáng vật nguyên sinh: Là các khoáng vật được tạo thành do sự nguội lạnh

của magma hoặc sự kết tủa của dụng dịch;

- Khoáng vật thứ sinh: Là các khoáng vật được tạo thành từ những khoáng vật khác (do phản ứng hoá học của nước với khoáng vật nguyên sinh, do tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao…)

+ Theo vai trò tạo đá:

Theo vai trò tạo đá, khoáng vật được chia thành 3 loại theo mức độ tham gia vào thành phần đất đá như sau:

- Khoáng vật chính: Có hàm lượng và vai trò chủ yếu trong việc cấu tạo nên đất

đá Cường độ và tính chất của khoáng vật

chính có ý nghĩa quyết định cường độ và

Theo thành phần hoá học, khoáng

vật được chia thành 9 lớp Trong các lớp lại được chia thành các lớp phụ và nhóm, cụ thể như sau:

- Lớp 1: Các nguyên tố tự nhiên, như vàng (Au), bạc (Ag)…(Hình 1.5.)

- Lớp 2: Sunfua, như pirit (FeS2)…(Hình 1.6.)

- Lớp 3: Halogenua, như halite (NaCl)… (Hình 1.7.)

- Lớp 4: Cacbonat, như canxit (CaCO3), đôlômit CaMg(CO3)2…(Hình 1.8.)

- Lớp 5: Sunfat, như thạch cao (CaSO4.2H2O)… (Hình 1.9.)

- Lớp 6: Phosphate, như fotfat (CaP2.O5)… (Hình 1.10.)

- Lớp 7: Oxit và Hidroxit, như thạch anh (SiO2)… (Hình 1.11.)

Magnetite Fe3O4

- Lớp 8: Silicat, như octocla [K(AlSi3O8)]… (Hình 1.12.)

- Lớp 9: Hợp chất hữu cơ, như metan (CH4)… (Hình 1.13.)

+ Theo dạng liên kết hoá học:

Để phục vụ cho mục đích xây dựng, khoáng vật được phân loại theo dạng liên kết hoá học vì đặc trưng cấu tạo của tinh thể và bản chất của mối liên kết hoá học giữa các chất điểm trong mạng lưới kết tinh sẽ quyết định nhiều tính chất cơ lý của khoáng vật

Theo dạng liên kết hoá học, khoáng vật được chia thành từng nhóm như sau:

- Nhóm liên kết hoá trị: Gồm phần lớn khoáng vật thuộc lớp silicat, là khoáng

vật chủ yếu tạo đá magma, đá biến chất và nhiều đá trầm tích Các khoáng vật này có cường độ cao và khó hoà tan;

- Nhóm liên kết ion: Chủ yếu là các khoáng vật thuộc nhóm cacbonat, nhóm

sunfat và nhóm halogienua Chúng có kiến trúc và tính chất rất đặc biệt, cường độ liên kết giảm nhanh khi tác dụng với nước nên dễ hoà tan hơn các khoáng vật khác;

- Nhóm liên kết hỗn hợp hoá trị - phân tử - nước: Phổ biến là các khoáng vật

sét Về kiến trúc, chúng thuộc loại silicat, thường gặp ở dạng vật chất kết tinh phân tán nhỏ và có nhiều tính chất đặc biệt khi tác dụng với nước;

- Nhóm liên kết bằng keo hữu cơ: Phổ biến là các loại keo axit humic, protein,

Hình 1.13 Hóa thạch

xenlulo… Các chất hữu cơ thường có hoạt tính cao trong các phản ứng oxy hoá, háo nước, co nở mạnh nên ảnh hưởng xấu đến tính chất xây dựng của đất đá

b, Một số khoáng vật tạo đá chủ yếu

Một số khoáng vật tạo đá chủ yếu được mô tả cụ thể ở Bảng 1.4

KV lớp oxit và hiđroxit có khoảng 200 khoáng vật, chiếm 17% trọng lượng vỏ

quả đất Trong lớp này thường gặp các khoáng vật như: Opan, Thạch anh, limonit

+ Lớp Cacbonat:

Lớp này có khoảng 80 loại khoáng vật, chiếm 1,7% trọng lượng vỏ quả đất,

thường tạo thành các lớp trầm tích biển rất dày KV phổ biến là Canxit và Đôlômit

Lớp Sunfua có khoảng 200 khoáng vật, tiêu biểu và liên quan nhiều đến xây

dựng là Pirit Trong đới phong hóa các khoáng vật lớp Sunfua rất dễ bị phá hủy, các

vật liệu xây dựng chứa chúng thường có chất lượng thấp

+ Lớp Halogenua:

Lớp Halogenua có khoảng 100 khoáng vật, phổ biến nhất của lớp này là Halit (Muối mỏ NaCl) Nguồn gốc thành tạo của chúng chủ yếu liên quan đến nước nên các

khoáng vật lớp này dễ hòa tan trong nước

(Xem bảng mô tả chi tiết kèm theo)

Bảng 1.4 Đặc điểm các loại khoáng vật tạo đá chủ yếu

Lớp Nhóm KV phổ

biến

Công thức hoá học

Dạng tinh thể Màu sắc

Vết vạch Ánh Tính dễ tách

Độ cứng Tỷ trọng

Nguồn gốc

Đặc điểm riêng biệt

Trắng xám, sắc lục phớt xanh, đỏ

- Thuỷ

tinh

Dễ tách hoàn toàn theo 2 phương cắt nhau một góc

Plagiocla (vỡ nghiêng)

K[AlSi 3 O 8 ] -

Vàng nhạt, hồng nâu, trắng đỏ

- Thuỷ

tinh

Dễ tách hoàn toàn theo 2 phương cắt nhau một góc

Gồm có Octocla và Microclin

Đen, nâu, phớt đỏ, lục

Trắng

Thuỷ tinh,

xà cừ

Dễ tách hoàn toàn theo 1 phương

2 – 3 3,02 – 3,12

Magma hay biến chất

-

Musscovit (Mica tr

KAl 2 [AlSi 3 O 10 ] [OH] 2

Dẹt, tấm, giả lục phương

Trắng Trắng

Thuỷ tinh,

xà cừ

Dễ tách rất hoàn toàn theo

1 phương Bóc thành lá mỏng,

2 – 3 2,76 – 3,10

Magma hay biến chất

Tập hợp thành khối hạt, lá hoặc vảy đặc sít

Piroxene Augit

Ca(Mg,Fe,Al) [(SiAl) 2 O 6 ]

Hình trụ ngắn, hình tấm

Đen lục, đen, lục thẫm, nâu

- Thuỷ

tinh

Dễ tách hoàn toàn 5 – 6 3,2 – 3,6 Magma

Tập hợp thành khối đặc sít

Lục hoặc nâu, sắc sẫm đến đen

Trắng Thuỷ

tinh

Dễ tách hoàn toàn theo 2 phương cắt nhau góc 1240

5 – 6 3,1 – 3,3

Magma hay biến chất

-

- Thuỷ

tinh

Dễ tách trung bình hoặc không tách Vết

vỡ vỏ sò

6,5 – 7 3,3 – 3,5

Phần lớn gốc Magma

Tập hợp thành khối dạng hạt

Tan Tan Mg 3 [Si 4 O 10 ][OH] 8 - Lục sáng,

ánh mỡ - -

Dễ tách hoàn toàn theo 1 phương

1 2,7 – 2,8

Sản phẩm biến chất của đá magma

Tập hợp thành khối đặc sít dạng lá, vẩy Sờ trơn tay

Clorit Clorit

Mg 4 Al 2 [Si 2 Al 2 O 10 ] [OH] 8

Dạng tấm, tập hợp dạng vẩy

Lục sáng, lục sẫm - Ngọc

Dễ tách hoàn toàn như Mica

Vết vỡ không đều, sần sùi

2 – 2,5 2,6 – 2,85

Tấm mỏng

có thể uốn cong, không đàn hồi

Phiến mỏng không màu Khối chặt sit màu trắng đất

- -

Dễ tách hoàn toàn thành lớp mỏng

Gần 1 2,58 – 2,6

Từ feldspar

và mica trong môi trường axit yếu

Sờ trơn tay

(Mica nư

ớc) Kal2 [(Si,Al) 4 O 10 ] [OH] 6 nH 2 O -

Do mica tác dụng với nước

Khả năng

nở hạn chế khi ngậm nước

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

Trắng, phớt xám, đôi khi phớt xanh, lục

Từ tro núi lửa,

đá giàu

Mg, Fe trong môi trường kiềm yếu

Khả năng

nở lớn khi ngậm nước

- Thuỷ

tinh

Không dễ tách, vết vỡ vỏ sò 7 2,5 – 2,8

Từ Magma đông nguội

Kết tủa từ dung dịch

KV phổ biến nhất trong vỏ quả đất

-

Opan SiO 2 nH 2 O Vô định

hình

Không màu, trắng hoặc vàng

đỏ

-

Xà cừ, thuỷ tinh

- 5 – 5,5 1,9 – 2,5

Do kết tủa, ngưng keo dung dịch chứa silic

Trung bình 6%, tối đa 34% nước

-

Fe 2 O 3 nH 2 O - Nâu, vàng

Vàng nâu,

đỏ

- - 4 – 5,5 2,7 – 4,3

Do oxy hóa các hợp chất sắt, sunfua trầm đọng

Khi vụn rời độ cứng giảm đến 1

Không màu, trắng sữa, xám, vàng hồng

- Thủy

tinh

Dễ tách hoàn toàn theo 3 phương thành các khối hình mặt thoi

3 2,6 – 2,8

Do quá trình magma,

do kết tủa trong nước và tác dụng của sinh vật

Sủi bọt trong HCl loãng (10%)

- Thủy

tinh

Dễ tách hoàn toàn 3,5 – 4 2,8 – 2,9

Do trầm tích và do đolomit hóa đá vôi

Hòa tan chậm trong HCl loãng (10%) nguội Bột sủi bọt mạnh trong HCl nóng

Trắng, khi

có tạp chất thì xám,

đỏ, đen

- Thủy

tinh

Dễ tách hoàn toàn 3 – 3,5 2,8 – 3,0 -

Khi ngậm nước tạo thành gip

và tăng thể tích 30%

Trắng, khi

có tạp chất thì màu xám, vàng đồng, nâu,

bị hiđrat hóa, đá vôi bị tác dụng của axit

Đồng thau, khi phân tán nhỏ màu đen

Nâu, đen nâu

Ánh kim mạnh

Dễ tách không hoàn toàn 6 – 6,5 4,4 – 5,2

Magma hoặc do phân hủy các di tích hữu

cơ bởi nước và oxy

Tác dụng với nước

và oxy thành axit sunfuaric

có tạp chất thì màu xám, đỏ, đen

- Thủy

tinh

Dễ tách hoàn toàn 2,5 2,1 – 2,2

Trầm tích hóa học -

n

1.3 KHÁI NIỆM, KIẾN TRÚC, CẤU TẠO VÀ THẾ NẰM CỦA ĐẤT ĐÁ

1.3.1 Khái niệm về đất đá

Đất đá là tập hợp cơ học của một hay nhiều loại khoáng vật khác nhau, được sắp xếp theo những quy luật nhất định, có thể có liên kết hoặc không và chiếm một phần không gian đáng kể của vỏ quả đất

Đất đá có các đặc trưng cơ bản là: Thành phần khoáng vật, Kiến trúc, Cấu tạo và Thế nằm của chúng Do đất đá có những đặc trưng cơ bản nêu trên nên ngoài việc

nghiên cứu thành phần vật chất, thành phần khoáng vật của đất đá, trong khoa học địa chất công trình còn cần phải nghiên cứu các đặc trưng cơ bản như kiến trúc, cấu tạo, thế nằm của đất đá nhằm xác định được tên, loại đất đá, điều kiện hình thành và tồn tại của chúng, trên cơ sở đó đánh giá được khả năng sử dụng đất đá trong xây dựng công trình 1.3.2 Kiến trúc của đất đá

Kiến trúc của đất đá là khái niệm tổng hợp chỉ các yếu tố hình dạng, kích thước hạt, tỷ lệ kích thước và hàm lượng tương đối cũng như mối liên kết giữa các hạt đó với nhau trong đất đá

a, Hình dạng và kích thước hạt

Hình dạng và kích thước hạt của đất đá do điều kiện thành tạo quyết định Đối

với một số loại đá (magma, biến chất, trầm tích hóa học) thì do điều kiện kết tinh

quyết định Điều kiện kết tinh chậm thì kích thước hạt tinh thể sẽ lớn

Các hạt kết tinh trước sẽ có hình dạng tinh thể rõ ràng, gọi là tự hình Các hạt

kết tinh sau thường đóng vai trò chèn lấp các lỗ rỗng còn lại giữa các hạt kết tinh trước

nên thường có hình dạng tinh thể méo mó không rõ ràng, gọi là tha hình

Đối với đá biến chất do tái kết tinh trong điều kiện không phát sinh tái nóng chảy thì các hạt khoáng vật có khả năng kết tinh lớn sẽ tự hình, các hạt có khả năng kết tinh nhỏ sẽ méo mó, tha hình

Cường độ, độ ổn định của đá phụ thuộc vào kích thước, mức độ đồng nhất và mức độ tha hình của các hạt

Đá kết tinh hạt nhỏ thường có cường độ và độ ổn định phong hóa cao hơn đá có cùng thành phần nhưng kết tinh hạt lớn Đá có kiến trúc tha hình bền vững hơn đá có kiến trúc tự hình, đặc biệt là khoáng vật tha hình là thạch anh

Đối với đá trầm tích vụn thì hình dạng và kích thước hạt do thành phần đá gốc

và phương thức vận chuyển quyết định Đá gốc bị phân hủy do phong hóa hóa học sẽ tạo thành các hạt mịn, do phong hóa lý học sẽ cho các hạt có kích thước không đồng đều và sắc cạnh Đá trầm đọng do dòng nước vận chuyển sẽ tròn cạch, do gió gió thì hạt đồng đều nhưng góc cạnh hơn, trầm tích biển thường có dạng hạt tròn dẹt

Kích thước và hình dạng hạt có ảnh hưởng quyết định đến tính chất địa chất công trình của các trầm tích vụn

Dăm và cuội có kích thước hạt tương đương nhưng các hạt dăm góc cạch và đồng nhất hơn nên có cường độ chống cắt lớn hơn Cát có tính ép co nhỏ, tính thấm lớn, độ rỗng nhỏ và tương đối ổn định Trong khi đó sét lại có các đặc điểm ngược lại

Khi các hạt càng nhỏ thì tỷ diện tích (tổng diện tích bề mặt của các hạt) càng

lớn, vì vậy năng lượng bề mặt càng cao, làm cho các hiện tượng bề mặt tăng lên rõ rệt

Đất đá thường có cấu tạo từ nhiều cỡ hạt khác nhau Sự có mặt của các nhóm hạt với chất lượng và số lượng khác nhau sẽ làm cho tính chất của đất đá thay đổi một cách khá rõ nét Vì vậy, thành phần hạt là một nội dung không thể thiếu trong nghiên cứu kiến trúc của đất đá vụn rời

b, Mối liên kết giữa các hạt

Theo mức độ liên kết, có thể chia kiến trúc của đất đá thành hai loại là kiến

trúc hạt rời (các hạt không liên kết với nhau) và kiến trúc gắn kết (các hạt liên kết với nhau ở một mức độ nào đó)

Liên kết kiến trúc được hình thành do các quá trình hóa lý phức tạp xảy ra dưới nhiều hình thức khác nhau trong suốt thời gian thành tạo đá như các quá trình kết tinh, hóa già, ngưng keo, kết tủa, hấp phụ, thấm, áp lực

Trong đá magma, đá biến chất, đá trầm tích hóa học thường có mối liên lết kết tinh Các loại đá vụn cơ học thường có mối liên kết ximăng, còn các trầm tích mềm rời thường có mối liên kết keo nước

Liên kết kết tinh về bản chất gần giống với mối liên kết kiến trúc bên trong của các khoáng vật, được tạo nên do lực liên kết của các phân tử, nguyên tử và ion nằm ở

bề mặt các hạt khoáng vật với nhau nên là loại liên kết bền vững nhất Trong một

số loại đá, cường độ của mối liên kết không kém cường độ của các hạt khoáng vật nên

mặt nứt vỡ thường đi qua cả các hạt khoáng vật (quaczit, đá vôi )

Liên kết ximăng được hình thành do sự ngưng keo trong các lỗ rỗng và khe nứt giữa các hạt, thường là keo silic, keo sắt và keo sét Loại liên kết này thường có cường

độ không cao, cường độ và độ ổn định của nó phụ thuộc vào hình thức liên kết và chất lượng của chất ximăng

Liên kết keo nước là liên kết hình thành do lực hấp dẫn Vandecvan, nó tỷ lệ nghịch với kích thước hạt và mức độ hydrat hóa bề mặt các hạt Mối liên kết này có cường độ và độ ổn định nhỏ nhưng là hình thức liên kết chủ yếu trong đất, đặc biệt là loại đất nhỏ hạt như đất sét

1.3.3 Cấu tạo của đất đá

Cấu tạo của đất đá biểu thị quy luật phân bố theo các phương hướng khác nhau trong không gian và mức độ sắp xếp chặt sít của hạt khoáng vật trong đất đá

Cấu tạo không đẳng hướng, không đồng nhất của đất đá được hình thành do nguyên nhân bên trong và các nguyên nhân bên ngoài

Nguyên nhân bên trong là do thành phần vật chất của đất đá Nguyên nhân bên ngoài sự là tác động của các trường mà trong đó đất đá được tạo thành như trường trọng lực, trường áp lực, trường nhiệt, trường thủy lực Cấu tạo của đất đá được hình thành do tác động của một, hoặc tác động tổng hợp của hai hay nhiều trường khác nhau

Cấu tạo lớp của đá trầm tích được hình thành do tác động của trường trọng lực kết hợp với trường thủy lực Dòng nước có tác dụng vận chuyển, tuyển lựa các hạt theo đường kính và trọng lượng Trường trọng lực có tác dụng dàn đều các hạt theo chiều ngang tạo thành các lớp nằm ngang hoặc hơi nghiêng

Tác dụng của trường trọng lực (áp lực địa tầng) và trường nhiệt (nhiệt quả đất) với nhiệt độ cao sẽ giúp hình thành nên các khoáng vật dạng tấm (mica, clorit ) Áp

lực định hướng giúp các hạt sắp xếp song song với nhau tạo nên các phiến của đá

Áp lực lớn làm cho đá có cấu tạo chặt sít, độ rỗng nhỏ Ngược lại, Áp lực nhỏ

làm cho các loại đá thường có cấu tạo không chặt, độ rỗng lớn (cấu tạo bọt của đá phún trào, cấu tạo bông xốp của đất sét )

Trong nhiều trường hợp, kiến trúc và cấu tạo của đất đá còn chịu các tác động

thứ sinh như quá trình phong hóa, karst, quá trình laterit hóa (cấu tạo hang động, tổ ong)

1.3.4 Thế nằm của đất đá

Thế nằm của đất đá là khái niệm về hình dạng, kích thước, tư thể của khối đất

đá trong không gian và mối quan hệ của chúng với nhau trong không gian đó

Thế nằm của đất đá là yếu tố cho ta biết mức độ đồng nhất của nền công trình

Trong thực tế, thế nằm của đất đá được chia thành hai loại là Thế nằm nguyên sinh và thế nằm thứ sinh

- Thế nằm nguyên sinh: Hình thành trong quá trình thành tạo của đất đá, thường

nằm ngang hay hơi nghiêng;

- Thế nằm thứ sinh: Là thế nằm nguyên sinh đã bị biến đổi do các hoạt động kiến tạo về sau (nằm nghiêng, uốn nếp )

Hoạt động kiến tạo có tác động lớn đến thế nằm của đất đá Đối với đá magma

và đá biến chất, do hình thù và kích thước lớn nên những biến động về thế nằm không

có nhiều ý nghĩa thực tiễn như đối với đất đá trầm tích

magma khi chúng xâm nhập vào

vỏ quả đất hoặc phun trào lên

mặt đất rồi nguội lạnh, đông

cứng lại tạo thành (Hình 1.14.)

Tùy thuộc vào thành phần

magma và điều kiện nguội lạnh

mà có thể hình thành các loại đá

magma khác nhau Sự đông cứng

của magma ở dưới mặt đất sẽ tạo

thành đá xâm nhập, còn magma đông cứng ở trên mặt đất sẽ tạo thành đá phún trào

Dung dịch magma là dung dịch

silicat nóng chảy có nhiệt độ 1.000 ÷

1.3000C, được hình thành trong lòng đất

tại những nơi gọi là lò magma (magma

pool), có chứa hầu hết các nguyên tố hóa

học, kể cả hơi nước và các chất dễ bay hơi

Khi magma đâm thủng vỏ quả đất, phun

trào và chảy trên mặt đất thì được gọi là

dung nham (Hình 1.15)

Lò magma là những nơi trong

lòng đất có nhiệt độ tăng đột ngột do các

phản ứng phân rã hạt nhân, hoặc do va

chạm của các mảng lục địa chuyển dịch

Chúng thường phát sinh ở độ sâu khoảng

Hình 1.14 Sự hình thành các loại đất đá 1-Đá hỏa thành (đá magma thâm nhập và phún trào); 2- Đất đá trầm tích; 3-Đất đá biến chất; Dung nham lỏng

1.4.1.2 Phân loại

Đá magma được phân loại theo một số tiêu chí sau:

a, Theo điều kiện hình thành

Đá magma được chia thành đá magma xâm nhập và đá magma phun trào

+ Đá magma xâm nhập:

Đá magma xâm nhập là do dung nham xâm nhập lên và nằm trong lớp vỏ quả đất, nguội lạnh và đông cứng lại tạo thành Vì nằm trong lớp vỏ quả đất nên quá trình nguội lạnh kéo dài, điều kiện kết tinh thuận lợi nên đá magma xâm nhập có kiến trúc tinh thể lớn hạt và tương đối đồng đều

Tùy thuộc vào mức độ kết tinh và kích thước của các hạt khoáng vật mà đá

magma xâm nhập lại được chia thành hai loại là đá magma xâm nhập sâu và đá magma xâm nhập nông

- Đá magma xâm nhập sâu: Do nằm sâu trong lòng đất, quá trình nguội lạnh và

đông cứng cũng như kết tinh diễn ra chậm chạp nên mức độ kết khá hoàn chỉnh, các hạt khoáng vật có kích thước lớn và tương đối đồng đều

- Đá magma xâm nhập nông: Do nằm gần mặt đất, quá trình nguội lạnh và

đông cứng cũng như kết tinh diễn ra nhanh hơn nên mức độ kết tinh kém hoàn chỉnh hơn, các hạt khoáng vật có kích thước nhỏ và không đồng đều

+ Đá magma phun trào:

Đá magma phun trào là do dung nham phun trào lên mặt đất, nguội lạnh và đông cứng lại tạo thành Vì nằm trên mặt đất nên quá trình nguội lạnh xảy ra nhanh chóng, điều kiện kết tinh không thuận lợi nên đá magma phun trào có kiến trúc tinh thể hạt nhỏ và chưa hoàn chỉnh, còn có những bộ phận chưa kịp kết tinh nên ở dạng vô định hình

Tùy thuộc vào cấu tạo, đá magma phun trào được chia thành hai loại là đá magma phun trào cổ và đá magma phun trào mới

- Đá magma phun trào cổ: Do được hình thành sớm nên trong quá trình tồn tại

đã bị tác động của các yếu tố địa chất làm cho cấu tạo đã bị biến đổi

- Đá magma phun trào mới: Do được hình thành muộn, trong quá trình tồn tại

chưa bị tác động của các yếu tố địa chất nên cấu tạo chưa bị biến đổi

b, Theo hàm lượng oxit silic SiO 2

Lượng oxit silic SiO2 trong đá magma thay đổi từ 25 đến 85%, nó có ảnh hưởng quyết định đến tính chất của dung dịch và tính chất của đá magma Khi hàm lượng SiO2 giảm thì màu của đá sẫm dần, tỷ trọng tăng lên và nhiệt độ nóng chảy giảm xuống

Theo hàm lượng oxit silic, đá magma được chia thành các loại như sau:

- Đá magma axit: Hàm lượng SiO2 chiếm trên 65% Phổ biến nhất là đá granit xâm nhập, pocfia thạch anh và liparit phun trào;

-Đá magma trung tính: Hàm lượng SiO2 chiếm 55 ÷ 65% Phổ biến nhất là sienit, điorit xâm nhập, pocfirit, pocfia octocla, tranchit, andesit phun trào;

-Đá magma bazơ: Hàm lượng SiO2 chiếm 45 ÷ 55% Là các loại đá tương đối phổ biến, nhất là các loại đá phun trào như diabaz, bazan, đá thâm nhập như gabro;

-Đá magma siêu bazơ: Hàm lượng SiO2 chiếm dưới 45% Chủ yếu là ở thể xâm nhập như peridotit và đunit

1.4.2 Thành phần khoáng vật của đá

magma

Đá magma được cấu tạo từ các

khoáng vật nguyên sinh và khoáng vật

thứ sinh Các khoáng vật thứ sinh được

tạo thành do sự kết tủa từ các dung dịch

lưu thông trong các lỗ rỗng và khe nứt

của đá magma nhưng hàm lượng của

chúng không đáng kể (Hình 1.16.)

Các khoáng vật tạo đá magma

thường có các đặc điểm chủ yếu là:

- Hầu hết các khoáng vật có mối liên kết hóa trị bền vững nên có cường độ cao;

- Được hình thành trong điều

kiện nhiệt độ cao;

- Kém ổn định, dễ bị phong

hóa và biến đổi trong môi trường

khí quyển

Về thành phần khoáng vật, các

khoáng vật chính tạo đá magma gồm:

Feldspar 60%, Thạch anh (Quartz) 12%,

Amfibol và Piroxene 17%, Mica 4%

Các khoáng vật phụ có thể gặp là Xerixit, Clorit, Kaolinit Ngoài ra còn các khoáng vật hiếm

1.4.3 Kiến trúc của đá magma

Kiến trúc của đá magma thể hiện mức độ kết tinh, độ lớn, hình dạng và độ đồng đều của tinh thể khoáng vật tạo đá

Đặc điểm kiến trúc cho ta biết được các tính chất cơ lý, độ ổn định và điều kiện hình thành của đá Kiến trúc của đá magma được phân loại theo các đặc điểm sau:

Hình 1.16 Đá basalt qua kính hiển vi

(chứa nhiều loại KV khác nhau)

Hình 1.17 Kiến trúc toàn tinh

+ Theo mức độ kết tinh:

Theo mức độ kết tinh, kiến trúc của đá magma được chia thành 4 loại sau:

- Kiến trúc toàn tinh: Tất cả các khoáng vật trong đá đều kết tinh, kích thước

tinh thể tương đối đồng đều, ranh giới giữa các tinh thể rõ rệt, có thể nhìn thấy bằng

trong đá kết tinh với kích thước không

đều Bằng mắt thường có thể nhìn thấy

một số tinh thể lớn rải rác trên nền tinh

thể rất nhỏ (vi tinh) hoặc không kết tinh

(Hình 1.18.)

Kiến trúc bán tinh đặc trưng cho

loại đá xâm nhập nông khi điều kiện

mất nhiệt nhanh hơn so với đá xâm

nhập sâu Chỉ có một số khoáng vật kịp

kết tinh tinh thể lớn, phần còn lại mới

chỉ kết tinh tinh thể nhỏ, một số còn

chưa kịp kết tinh và tồn tại dưới dạng vô định hình

- Kiến trúc ẩn tinh: Khoáng vật trong đá kết tinh với kích thước tinh thể rất nhỏ,

chỉ có thể nhìn thấy bằng kính hiển vi

Kiến trúc ẩn tinh đặc trưng cho đá xâm nhập nông hoặc các đá mạch với khối lượng dung dịch magma nhỏ, điều kiện mất nhiệt nhanh Một số khoáng vật kịp kết tinh với tinh thể nhỏ, nhiều bộ phận còn chưa kịp kết tinh và tồn tại dưới dạng vô định hình

- Kiến trúc thủy tinh: Khi điều kiện mất nhiệt quá nhanh, các khoáng vật trong

đá kết không kết tinh mà tồn tại dưới dạng vô định hình

Kiến trúc thủy tinh đặc trưng cho đá phun xuất, đặc biệt là đá phun xuất dưới đáy biển, do điều kiện mất nhiệt quá nhanh nên các khoáng vật không kịp kết tinh

+ Theo kích thước hạt tinh thể:

Kích thước hạt tinh thể phụ thuộc vào điều kiện mất nhiệt trong quá trình kết tinh Khi điều kiện mất nhiệt chậm, các khoáng vật có đủ thời gian kết tinh và tạo thành các tinh thể lớn hạt Ngược lại, trong điều kiện mất nhiệt nhanh thì các khoáng vật chỉ kịp kết tinh ở mức độ thấp, tạo thành các tinh thể nhỏ hạt hoặc không kịp kết tinh

Sự kết tinh của khoáng vật còn phụ thuộc vào thành phần dung nham Các dung nham nghèo silit thường chứa các hợp chất dễ hòa tan, tính di động lớn, độ nhớt giảm nên điều kiện kết tinh thuận lợi hơn

Hình 1.18 Kiến trúc bán tinh - Pocfia

Dựa vào kích thước hạt, kiến trúc của đá magma được chia thành 4 loại sau:

- Kiến trúc hạt lớn: Kích thước hạt > 5 mm;

- Kiến trúc hạt vừa: Kích thước hạt 2 ÷ 5 mm;

- Kiến trúc hạt nhỏ: Kích thước hạt 0,2 ÷ 2 mm;

- Kiến trúc hạt mịn: Kích thước hạt < 0,2 mm

Căn cứ vào kích thước tương đối (độ đồng đều) của các hạt, kiến trúc của đá

magma được chia thành 2 loại:

- Kiến trúc hạt đều: Các hạt có kích thước gần như nhau;

- Kiến trúc hạt không đều: Các hạt có kich thước lớn nhỏ khác nhau;

Đá có kiến trúc toàn tinh hạt đều có cường độ, độ ổn định phong hóa cao hơn loại kiến trúc thủy tinh và kiến trúc hạt không đều

1.4.4 Cấu tạo của đá magma

Các thành phần khoáng vật trong đá có sự sắp xếp với sự định hướng cũng như mức độ chặt sít khác nhau Trên cơ sở đó, cấu tạo của đá magma được phân loại như sau:

+ Theo sự định hướng của các thành phần khoáng vật:

Theo sự định hướng của các thành phần khoáng vật, cấu tạo đá magma được chia thành hai loại:

- Cấu tạo đồng nhất (Cấu tạo khối): Các khoáng vật trong đá sắp xếp theo mọi

hướng đều như nhau

- Cấu tạo dải: Các khoáng vật trong đá được tập hợp theo dải do được định

hướng theo hướng di chuyển của dòng dung nham

+ Theo độ rỗng của đá:

Theo độ rỗng, đá magma được chia thành hai loại là:

- Cấu tạo chặt sít: Trong đá không có lỗ rỗng;

- Cấu tạo lỗ rỗng: Trong đá tồn tại các lỗ rỗng

Cấu tạo lỗ rỗng thường gặp trong đá magma thành tạo gần hoặc trên mặt đất do có

sự thoát khí và hơi nước từ dung nham Dung nham chứa nhiều chất dễ bốc hơi, nguội lạnh nhanh ở dưới nước hoặc trong đất ẩm

sẽ tạo thành đá bọt có độ rỗng lớn và nhẹ

- Cấu tạo hạnh nhân: Được thành

tạo từ đá có cấu tạo lỗ rỗng khi các lỗ rỗng

được lấp đầy bởi các khoáng vật thứ sinh

(Opan, Thạch anh, Clorit, Canxit ) do sự

kết tủa của các dung dịch lưu thông trong

đá (Hình 1.19.)

Đá có cấu tạo đồng nhất sẽ có tính Hình 1.19 Đá vỏ chai: Kiến trúc thủy

tinh, cấu tạo hoa tuyết, hạnh nhân

đẳng hướng về các tính chất cơ lý Cấu tạo dải, cấu tạo lỗ rỗng tạo ra tính di hướng và làm giảm cường độ, độ ổn định phong hóa của đá

Các đá magma sau khi hình thành sẽ tiếp tục nguội lạnh đến nhiệt độ môi

trường Khi nguội lạnh, đá sẽ co giảm thể tích và tạo ra các Khe nứt nguyên sinh theo những quy luật nhất định Các khối đá do các khe nứt nguyên sinh tạo ra gọi là Khối nứt nguyên sinh

Khe nứt nguyên sinh không phá hoại sự liên kết giữa các khối nứt, chúng chỉ được coi là các mặt mà ở đó mức độ liên kết của đá bị giảm sút Trong quá trình phong hóa, hệ thống khe nứt này sẽ phát triển và thể hiện rõ thêm

Khe nứt nguyên sinh và các loại khe nứt có nguồn gốc khác làm giảm cường độ

và tăng tính thấm nước của đá

Mỗi loại đá có hình dạng khối nứt nguyên sinh riêng như hình trụ, hình gối đệm, hình cầu, hình lục lăng

Dưới đây là một số hình ảnh về cấu tạo của đá magma (Hình 1.20.)

Hình 1.20 Một số dạng cấu tạo của đá magma

1.4.5 Thế nằm của đá magma

Tùy thuộc vào đặc điểm của môi trường nguội lạnh (hình dạng và kích thước khe nứt, hình dạng mặt đất nơi dung nham thâm nhập), cũng như độ nhớt của dung

nham mà đá magma có các thế nằm và hình thù khối đá khác nhau

+ Thế nằm của đá magma xâm nhập (Hình 1.21.):

- Thế nằm dạng nền (a):

Là những khối đá có hình dạng không quy tắc, kích thước rất lớn, diện tích

phân bố đến hàng ngàn hecta, giới hạn dưới (độ sâu) của nó không xác định được Các

đá vây quanh tiếp xúc với đá magma dạng nền không bị biến đổi về thế nằm

- Thế nằm dạng nấm (b):

Các khối đá có dạng hình nấm hoặc hình thấu kính dày Diện tích phân bố khoảng vài chục hecta Các đá vây quanh, nhất là ở phía trên bị uốn cong theo hình dạng nấm

- Thế nằm dạng lớp (c):

Được hình thành do dung nham xâm nhập theo các khe nứt giữa các mặt tầng

đá, đông cứng lại tạo thành đá như một lớp của đá vây quanh Chiều dày của lớp nhỏ, thường từ vài mét đến vài chục mét nhưng diện tích có thể tới vài hecta Các đá vây quanh tiếp xúc với dạng lớp không bị biến đổi về thế nằm

- Thế nằm dạng mạch (c):

Được hình thành do dung nham xâm nhập và lấp đầy các khe nứt cắt qua các tầng đá vây quanh Chiều dày của mạch đá nhỏ, thường từ vài centimét đến vài chục mét nhưng kéo dài Mạch đá có nhiều nhánh, chỗ tiếp xúc với các đá vây quanh thường có khe nứt Góc cắt của mạch với các tầng đá trầm tích thường khá lớn

+ Thế nằm của đá magma phun trào (Hình 1.22.):

- Thế nằm dạng lớp phủ (a):

Là dạng đá phun trào bao phủ trên một diện tích rất rộng, có thể tới hàng ngàn

Hình 1.21 Một số dạng thế nằm của đá magma xâp nhập

km2 Thường được hình thành do dung nham phun trào lên mặt đất theo hệ thống khe nứt kéo dài của vỏ quả đất Sự phun trào dung nham nhiều đợt có thể tạo lớp phủ nhiều tầng lớp với chiều dày lớn tới vài

kilomet

- Thế nằm dạng dòng chảy (b):

Hình thành do các dung nham

nghèo silic có độ linh động (độ nhớt)

nhỏ trào qua miệng núi lửa chảy theo

các khe thung lũng thành dòng đi rất xa

rồi đông cứng lại Dạng thế nằm dòng

chảy có đặc trưng là chiều dài lớn hơn

chiều rộng rất nhiều

- Thế nằm dạng vòm (c):

Hình thành do các dung nham

giàu silic có độ linh động (độ nhớt) lớn,

khi trào lên mặt đất không chảy đi xa

được và đông cứng lại ngay xung

quanh miệng núi lửa

Khi xây dựng công trình trên đá

phun trào cần chú ý chiều dày của nó vì

nhiều khi lớp đá magma cứng chắc chỉ

tích từ vật liệu phong hóa gồm có 3

giai đoạn như sau (Hình 1.24.):

- Giai đoạn 1 - Giai đoạn tạo

vật liệu trẩm tích: Các đá có trước bị

phong hóa và phá hủy tạo nên vật

liệu trầm tích là các hạt vụn rời hoặc

các dung dịch;

- Giai đoạn 2 - Giai đoạn vận

chuyển và trầm đọng: Xảy ra theo

quy luật tuyển lựa Các vật liệu trầm

tích được nước hoặc gió vận chuyển

đi nơi khác, tuyển lựa theo kích

thước và trọng lượng rồi trầm đọng

hoặc kết tủa thành các lớp trầm tích

mềm rời;

- Giai đoạn 3 - Giai đoạn hóa

đá: Dưới sự tác dụng của áp lực,

trọng lực và sự keo kết của các dung

dịch kết tủa trong nước, các trầm tích

mềm rời được nén chặt và gắn kết lại

tạo thành đá

Sau khi được hình thành, đá

trầm tích sẽ chuyển sang giai đoạn

hậu sinh, tiếp tục chịu sự tác dụng

của nhiệt độ cao, áp suất lớn và biến

Hình 1.24 Các giai đoạn trong quá trình hình

thành đất đá trầm tích

khí quyển, hiện tượng phong hóa sẽ làm cho đá trầm tích bị phá hủy và tạo thành các vật liệu trầm tích mới

Đá trầm tích hữu cơ được hình thành do xác sinh vật tích đọng lại Sự tích đọng

xác thực vật tạo thành than đá, than bùn (Hình 1.25.); tích đọng xác động vật sẽ tạo

thành san hô, đá vôi vỏ sò

1.5.1.2 Phân loại

Đá trầm tích được phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau Theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, đá trầm tích được chia thành 2 loại sau:

a, Trầm tích vụn cơ học và sét

Trầm tích vụn cơ học và sét hình thành từ các vật liệu trầm tích được tạo nên do

quá trình phong hóa lý học (nhân tố phong hóa là nhiệt độ, áp suất) phá hủy các loại

đá có trước (đá gốc) Vật liệu trầm tích vẫn giữ được các tính chất cơ bản của đá gốc

Trên cơ sở kích thước, hình dạng và sự gắn kết giữa các hạt, trầm tích vụn cơ học được chia thành các loại sau:

- Trầm tích mềm rời: Là những trầm tích chưa gắn kết và hóa đá

Trầm tích mềm rời lại được chia thành trầm tích mềm rời không dính như cuội, sỏi, cát và trầm tích mềm rời dính dẻo như đất sét, sét pha

Trầm tích mềm rời có nhiều kích thước hạt khác nhau Theo phạm vi biến đổi kích thước hạt người ta phân chúng ra thành từng nhóm trên cơ sở thực nghiệm Trầm tích cùng nhóm kích thước thì có cùng tính chất cơ lý và xây dựng Khác nhóm kích

thước thì tính chất thay đổi rõ rệt (Bảng 1.5.)

- Trầm tích gắn kết: Là những trầm tích vụn rời được ximăng tự nhiên (oxit silic, oxít sắt, canxit, sét ) gắn kết lại và hóa đá

Theo đặc điểm về tính chất cơ lý và mức độ liên kết giữa các hạt, trầm tích vụn

cơ học được chia thành 2 loại là trầm tích mềm rời không dính (sỏi, cát, bột) và trầm tích mềm rời dính dẻo (đất sét, sét pha, cát pha)

Bảng 1.5 Phân loại đá trầm tích vụn cơ học

Dăm,

Góc cạnh Dăm Dăm kết Tròn cạnh Cuội Cuội kết

Tròn cạnh Sỏi Sỏi kết

Hạt bột 0,005 ÷ 0,05 0,0039 ÷ 0,00625 Đất bột Bột kết Hạt sét 0,002 ÷ 0,005