Bài giảng Địa chất công trình - Chương 1: Các loại đất đá và địa tầng

Bài giảng Địa chất công trình - Chương 1: Các loại đất đá và địa tầng cung cấp cho người học những kiến thức như: Quá trình magma và sự hình thành đá magma; Quá trình trầm đọng và sự hình thành đá trầm tích; Quá trình biến chất và sự hình thành đá biến chất; Địa tầng và thời gian địa chất. Mời các bạn cùng tham khảo!

ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH

Giáo trình và tài liệu tham khảo:

1 Trường Đại học Thuỷ lợi, Địa chất công trình, NXB

Xây dựng, 2002

2 Bộ môn Địa kỹ thuật – Trường Đại học Thủy lợi, Cơ sở

địa chất công trình và môi trường, NXB Khoa học tự

nhiên và công nghệ, 2010

3 Alan E.Kehew, bản dịch: Địa chất học cho kỹ sư xây

dựng và cán bộ kỹ thuật môi trường, NXB Giáo dục, 1998

4.GVC Nguyễn Uyên, PGS TS Trịnh Minh Thụ - Sổ tay

Địa chất thủy văn, 2012

5 https://sites.google.com/site/geotechnical2011

Nội dung:

 Chương 1 Các loại đất đá và địa tầng

 Chương 2 Các hiện tượng địa chất ngoại sinh

 Chương 3 Các hiện tượng địa chất nội sinh

 Chương 4 Những đặc trưng kỹ thuật của đất

và đá

 Chương 5 Nước dưới đất và ảnh hưởng của

nó đến xây dựng công trình

 Chương 6 Khảo sát địa chất công trình

 Chương 7 Địa chất và xây dựng

Nội dung nghiên cứu:

1. Quá trình magma và sự hình thành đá magma

2. Quá trình trầm đọng và sự hình thành đá trầm tích

3. Quá trình biến chất và sự hình thành đá biến chất

4. Địa tầng và thời gian địa chất

§1.1 ĐÁ MAGMA

Nội dung nghiên cứu:

kể cả các chất dễ bay hơi, hơi nước

 Dung dịch magma được phát sinh do nhiệt độ tăng lên đột ngột (do các phản ứng phân rã hạt nhân hoặc do va chạm các lục địa)

 Khi magma đâm thủng quả đất, chảy trên mặt đất thì được gọi là dung nham.

2 Phân loại đá magma:Thành phần hóa học, thành phần khoáng

vật, điều kiện thành tạo và các tác động thứ sinh trong quá trình tồn tại

của đá magma có ý nghĩa quan trọng, quyết định các đặc tính vật lý, cơ

học của chúng Dựa trên các cơ sở đó người ta chia đá magma ra các loại

b 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%

Khoáng vật là những vật thể ở trạng thái rắn, có các tính

chất vật lý đồng nhất, có thành phần hóa học xác định, thường là

một kiểu phân tử hóa học hoặc hỗn hợp đồng nhất của vài ba kiểu

phân tử hóa học trong một giới hạn hẹp Khoáng vật thông

thường có thể ở trạng thái kết tinh, nhưng cũng có thể ở trạng thái

vô định hình Khoáng vật là thành phần của các loại đá cấu tạo

nên vỏ Trái đất (từ điển Bách khoa toàn thư)

II Thành phần khoáng vật của đá magma

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

Thạch anh, SiO 2

Dạng kết tinh:hình thành do sự kết tinh của các nguyên

tố hóa học thành những tinh thể gắn kết lại với nhau

Đặc điểm: có nhiệt độ nóng chảy nhất định, tới nhiệt độ

đó vật chất chuyển sang dạng lỏng và thu nhiệt

Dạng vô định hình:các phân tử vật chất tạo thànhkhoáng vật không sắp xếp theo một trật tự có tính quyluật trong không gian (hay không tạo thành mạng tinhthể) Đặc điểm: có tính đẳng hướng, khi nung nóngtrạng thái thay đổi từ từ, mềm dần rồi chuyển sang trạngthái lỏng

sinh: xerixit, clorit,

* Vềnguồn gốc thành tạo, các khoáng vật tạo đá được phânra:

-Khoáng vật nguyên sinh: là những khoáng vật hình thành từ

các phần tử cơ bản trong các quá trình magma, trầm tích vàbiến chất

-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 vậtlớp silicate Các khoáng vật sinh sau do kết tủa từ dung dịch

 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

Khoáng vật sẫm màu

Khoáng vật sáng màu

III Kiến trúc, cấu tạo của đá magma

Kiến trúc bao gồm những dấu hiệu quy định bởitrình

độ kết tinh, kích thước, hình dángcủa các tinh thể,quan

tinh

1 Kiến trúc đá: hình dáng, kích thước của các tinh thể

khoáng vật, quan hệ giữa chúng với nhau và với thủytinh (từ điển Bách khoa toàn thư)

 Theo mức độ kết tinh

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

 Theo kích thước hạt

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

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

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

Kiến trúc hạt đều: khi các hạt có kích thước gần nhưnhau

Kiến trúc hạt không đều: khi các hạt to nhỏ khácnhau

Theo kích thước hạt khoáng vật Mức độ kết tinh

Toàn tinh

Ban tinh

Ẩn tinh

Thuỷ tinh

2 Cấu tạo:

Cấu tạo là toàn bộ các dấu hiệu về cấu trúc của đá

hoặc quặng, do sự sắp xếp và phân bố các khoáng vật

tạo nên (từ điển Bách khoa toàn thư)

 Theo sự định hướng của các thành phần khoáng vật

trong không gian

 Cấu tạo khối (cấu tạo đồng nhất): theo bất kỳ hướng

nào, thành phần khoáng vật của đá cũng như nhau

 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

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

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

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

 Cấu tạo hạnh nhân: các lỗ rỗng được lấp đầybởi khoáng vật thứ sinh

IV Thế nằm của đá magma

Thế nằm của đá là vị thế phân bố trong không gian của lớp

đá, của thể địa chất (VD: thế nằm ngang, thế nằm nghiêng), hoặcmối tương quan trong phân bố của chúng với các lớp hoặc ác đáxung quanh (VD: thế nằm chỉnh hợp, thế nằm bất chỉnh hợp) (từđiển Bách khoa toàn thư)

 Thế nằm của đá xâm nhập

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

đổi thế nằm, ranh giới dưới không xác định được

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

đá vây quanh phía trên bị uốn cong

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

tầng đá vây quanh, kéo dài

 Dạng lớp: do magma xâm nhập vào khe nứt mặt lớp đá có

trước, đông cứng như một lớp đá vây quanh

 Thế nằm của đá phun trào

 Dạng vòm: khi magma nhớt, đông cứng ngay tại chỗ phún xuất

 Dạng dòng chảy: khi địa hình thuận lợi, magma linh động 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 đá magma phun trào, dạng lớp phủ, khi magma phun theo

hệ thống kẽ nứt kéo dài, phủ trên diện rộng

 Photograph by J.D Griggs

on 31 January 1984

 Basalt lava erupts from Pu`u

`O`o spatter and cinder cone

at Kilauea Volcano, Hawai`i Lava spilling from the cone has formed a series

of `a`a lava channels and flows

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

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

Tên đá Điều kiện

hình thành

Thế nằm ĐK nguội lạnh Kiến trúc Kích thước hạt Rhyolite Basalt phun trào vòm (rhyolit)

lớp phủ (basalt)

nhanh thuỷ tinh,

ẩn tinh hạt mịn

<0⋅1 mm

Porphyry Dolerite Xn nông dạng mạch vừa ban tinh

hạt vừa 0⋅1–2 mm

Granite Gabbro Xn sâu dạng nền chậm toàn tinh

hạt thô

>2 mm 70%

khả năng bị phong hoá

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

 Ở dưới sâu do tính dẫn nhiệt của đá kém, quá trình đôngnguội của dung nham kéo dài, các tinh thể có đủ thời gian

để lớn lên Do vậy, đá xâm nhập thường có kiến trúc toàntinh 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, cáctinh thể không kịp hình thành, chỉ hình thành các tinh thểnhỏ hoặc chỉ kết tinh được một số khoáng vật có nhiệt độkết tinh cao Do vậy, kiến trúc ẩn tinh, thủy tinh, poocfiađặc trưng cho xâm nhập nông và đá phun trào, đặc biệtkiến 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- 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

xây dựng công trình thủy lợi

 Ảnh hưởng đến tính ổn định của công trình

 Ảnh hưởng đến tính thấm nước của đất đá

 Ảnh hưởng đến khả năng khai thác các loại vật liệuxây dựng thiên nhiên…

Yêu cầu

 Đọc giáo trình kết hợp các slides tìm kiếm các thông

tin:

Giải thích sự hình thành của đá magma

Ảnh hưởng của điều kiện hình thành đến các đặc

trưng (kiến trúc, cấu tạo, thế nằm) và tính chất của

đá

Các đặc trưng: thành phần khoáng vật, kiến trúc,

cấu tạo, thế nằm của đá

 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:

1.Sự hình thành đá trầm tích

2.Phân loại đá trầm tích

3.Thành phần khoáng vật tạo của đá trầm tích

4.Cấu tạo, kiến trúc đá trầm tích

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 vỏsò…

TrÇm tÝch sinh häc

lơ lửng, xô lăn, kéo lêTrầm đọng theo quy luật tuyển lựa theo đường kính hạt: Vận chuyển càng đi xa kích thước hạt trầm đọng càng nhỏ dần, hạt càng tròn cạnh

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:

Nén chặt

Keo kết xi măng hoá

 Vật chất xi măng: silic, oxyd sắt, calcite, sét,

tủa Nước biển từ

đại dương tiếp tục

bổ sung (mũi tên

Anthracite – than đá

Một số loại trung gian

 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

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 các khoáng vật trong các mảnh vụn của trầm tích vụn cơ học.

2 Khoáng vật thuần túy: là các khoáng vật hình

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

3 Khoáng vật thứ sinh: là những khoáng vật sinh

ra từ những khoáng vật có trước do biến đổi hóa học.

The internal structure of

the tree and bark are

kiện môi trường http://geology.com/stories/13/petrified-wood/

IV Kiến trúc và cấu tạo của đá trầm tích

1. Trầm tích vụn rời - kiểu kiến trúc hạt

 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:

 Keo kết cơ sở: các hạt nằm trong chất gắn kết không tiếp xúcvới nhau Cường độ và tính chất của đá chủ yếu quyết định bởicường độ và tính chất của xi măng

 Keo kết lấp đầy: các hạt tiếp xúc nhau, lỗ hổng giữa các hạtđược lấp đầy bằng các chất gắn kết

 Keo kết tiếp xúc: các chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữacác 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

Cấu tạo lớp được mô tả bằng hình vẽ trên, theo thứ tự từ trái qua phải, từ

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

nằm nghiêng hoặc uốn cong

 Nếp uốn (nếp lồi, nếp lõm)

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

 Đơn nghiêng

 Thế nằm nguyên sinh (nằm ngang) và thứ sinh (nếp

Thế nằm nguyên sinh Nếp uốn lõm (Syncline, eastern Tennessee)

Đường hướng dốc





Yêu cầu khi học bài đá trầm tích

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

 Ba cách hình thành đá trầm tích:

 Trầm đọng các mảnh vụn phong hoá

 Trầm đọng xác sinh vật

 Trầm đọng do kết tủa các muốiXác định được các loại đá được hình thành do 3 cách đó và liênquan với chúng là các đặc điểm về thành phần khoáng vật, kiếntrúc, cấu tạo, thế nằm của từng loại đá Ví dụ, đá trầm tích vụnrời thì sẽ có khoáng vật tàn dư (của mảnh vụn) và khoáng vật thứsinh hoặc thuần tuý (của xi măng gắn kết)

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

 Hiểu được bản chất của quy luật trầm đọng tuyển lựa theo đườngkính hạt

 Hiểu được thế nằm nguyên sinh và thứ sinh của đá

http://www.flickr.com/photos/29261553@N08/2846226863/lightbox/

Nội dung:

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

Metamorphic Rock (đá biến chất) "Meta"= Change

"Morph"= form

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

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

 Biến chất tiếp xúc chỉ xảy ra ở chỗ tiếp xúc của đá vâyquanh với khối magma Càng ra xa mức độ biến chấtcàng giảm, hình thành nên một đới biến chất xung quanhkhối magma dày từ vài cm đến vài km

 Quá trình biến chất bắt đầu ở nhiệt độ trên 2000C với sựphá vỡ mạng tinh thể để hình thành khoáng vật mới Quátrình kết thúc ở nhiệt độ trên 600-12000C khi nóng chảy

 Theo độ sâu T, P đều

tăng, đạt ngưỡng nào

Độ dài mũi tên biểu diễn độ lớn của áp lực

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

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

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

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

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

d Biến chất thuỷ nhiệt

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

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

 Xảy ra trên bề mặt các kẽ nứt đá ở khu vực gần các khốimagma, 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