Bài giảng Cơ học đất - Chương 1: Khoáng vật và đất đá (Trần Thế Việt)

Chương 1: Khoáng Vật và Đất đá

Nội dung nghiên cứu:

1. Khái niệm về KV & KV tạo đá

2. Khái niệm về đất đá

3. Đá magma

4. Đá trầm tích

5. Đá biến chất

KV = Khoáng Vật

I. Kn về KV & ý nghĩa của việc nghiên cứu KV

• Định nghĩa KV:

KV là những đơn chất hoặc hợp chất hoá học tồn tại trong tự nhiên, thành tạo do các quá trình hoá học & vật lý nhất định trong vỏ trái đất hoặc trên mặt đất, có t/phần & tính chất vật lý xác định.

✓ KV đơn chất: VD vàng; kim cương

✓ KV là hợp chất, VD thạch anh, feldspar

I. KN về KV và ý nghĩa khi nghiên cứu KV

• Mục đích nghiên cứu KV

– Hiểu được nguồn gốc & đk hình thành của đá.

– Nhận xét được khả năng sử dụng của đất đá

trong xây dựng CT.

II. Các trạng thái & dạng tồn tại của KV

Trạng thái của KV:

– Rắn (đại đa số): CaC03; Cu; – Lỏng (một số): H2O; Hg – Khí (một số): CO2; NH4

Đất đá được cấu tạo chủ yếu bởi KV ở trạng thái rắn

Dạng tồn tại của KV

– Dạng kết tinh (đa số)

– Dạng vô định hình

– Dạng keo

1. Dạng kết tinh

• Hình thành do sự kết tinh của các nguyên tố hóa học

tạo thành những tinh thể gắn kết lại với nhau.

(Salt crystals)

2. Dạng vô định hình

• Các phân tử vật chất tạo thành KV ko sắp xếp theo 1 trật tự có tính quy luật tuần hoàn trong ko

gian (hoặc ko tạo thành tinh thể)

3. Dạng keo

• KV tồn tại trong các dung dịch keo, các hạt keo

có tính chất đặc biệt, phức tạp:

VD: Dung dịch phù sa, bentonit…

III. Phân loại khoáng vật

3.1 Mục đích:

– Mô tả KV một cách có hệ thống

– Làm rõ mối quan hệ giữa các KV trong đá

 Đánh giá sơ bộ tính chất của KV và tính chất

xây dựng của đất đá

III. Phân loại khoáng vật

3.2 Phân loại

• Theo nguồn gốc hình thành:

• Theo điều kiện hình thành

• Theo vai trò tạo đá

• Theo thành phần hóa học

1. Theo nguồn gốc

• KV nguyên sinh: kv hình thành từ các phần tử cơ bản trong các quá trình macma, trầm tích & biến chất

• Kv thứ sinh: kv hình thành từ quá trình biến đổi các kv khác. Thường hình thành từ quá trình trầm tích, biến chất

2. Theo điều kiện thành tạo

• KV nội sinh: do các dạng năng lượng nhiệt &

áp suất bên trong trái đất phát sinh

• KV ngoại sinh: do các quá trình địa chất ngoại động lực như quá trình phong hóa, quá trình trầm tích

3. Theo vai trò tạo đá

KV chính: > 5% khối lượng trong 1 đá KV phụ: < 5% khối lượng trong 1 loại đá¸

(Các loại đá khác nhau, khái niệm chính-phụ chỉ mang tính tương đối)

4. Theo thành phần hóa học: chia thành 9 lớp

 Lớp 1: các nguyên tố tự nhiên: vàng (Au)  Lớp 2: sulfua. VD: Pirit (FeS2),  Lớp 3: halogenua. VD: Halit (NaCl)  Lớp 4: cabonat: Canxit (CaCO3)  Lớp 5: Sulfate. VD: Thạch cao (CaSO4.2H2O)  Lớp 6: Phosphate. VD: Apatite  Lớp 7: ô xit. VD: Thạch anh (SiO2)  Lớp 8: Silicat. VD: Felpat KAlSi3O8  Lớp 9: Các chất của hữu cơ

Lớp 1: các nguyên tố tự nhiên

Diamon

Graphit Cabon, C

2. Lớp sulfua VD Thần sa (cinabar), HgS

3. Lớp Halogenua; VD Halite, NaCl

1616

4. Lớp cacbonate:

5. Lớp Sulfate, VD Thạch cao, CaSO4.2H2O

6. Lớp phosphate: Apatite, Ca2F(PO4)3

7. Lớp OXIT: Corundum (hồng ngọc), Al2O3

8. Lớp Silicate: Muscovite (Mica), KAl2[Si3O10](OH)2

IV. Các tính chất vật lý của KV

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

5. Vết vỡ của khoáng vật

6. Độ cứng

7. Tỷ trọng

1. Hình dạng tinh thể khoáng vật

Dạng đẳng thước: cấu trúc tinh thể KV phát triển đều theo 3 phương, tinh thể KV có dạng hạt, dạng cầu, VD pyrit, halit, granat

Dạng kéo dài 2 phương: KV thường có dạng tấm, phiến, vảy, lá, VD Mica; barit, clorit

Dạng kéo dài 1 phương: các KV có cấu tạo tinh thể dạng que, dạng kim, dạng sợi, VD thạch anh, antimoan

2. Màu của khoáng vật

✓ Do thành phần hóa học của KV quyết định. Chủ yếu

do chứa các nguyên tố hóa học mang màu.

✓ Nhiều KV chỉ có 1 màu cố định, khi lẫn tạp chất, KV

mang nhiều màu khác nhau.

✓ Màu của KV quan sát đc phụ thuộc đk ánh sáng,

trạng thái mặt ngoài của KV

✓ Màu KV quyết định màu đá → ảnh hưởng tới khả

năng hấp thụ nhiệt của đá

2. Màu của khoáng vật

Thạch anh

2. Màu của khoáng vật

Limonit

Berin (hồng ngọc)

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

Nửa trong suốt: Thạch cao; sfalerit

Trong suốt: thạch anh; thủy tinh; spat;

Không trong suốt: pirit; manhetit; grafit

Thạch anh

Spat

Grafit

3. Độ trong suốt và ánh KV

Ánh của KV: đc tạo thành do phần ánh sáng phản xạ có tần số dao động ko đổi khi ta chiếu sáng vào KV. Ánh chỉ phụ thuộc vào chiết suất của KV.

 Ánh thủy tinh: Thạch anh, canxit

 Ánh kim cương

 Ánh á kim: hemarit (Fe203), thần sa (HgS)

 Ánh kim: Pyrit (FeS); Galen (PbS)

4. Tính cát khai và vết vỡ

Tính cát khai: khả năng của tinh thể KV hoặc hạt tinh thể KV bị tách vỡ thành tấm, hoặc khối có mặt phẳng nhẵn như mặt gương:

• Cát khai rất hoàn toàn: Mica; Clorit

• Cát khai hoàn toàn: Canxit, Halit

• Cát khai trung bình: Piroxen

• Cát khai không hoàn toàn: Apatit

4. Tính cát khai và vết vỡ

Vết vỡ: Khi KV bị vỡ tách theo những mặt lồi lõm hoặc lượn sóng, mặt đó gọi là vết vỡ. Dựa theo hình dạng vết vỡ chia ra:

• Vết vỡ xơ

• Vết vỡ vỏ sò

• Vết vỡ hình móc

5. Độ cứng

Khả năng chống lại lực cơ học bên ngoài của KV. KV có bán kính điện tử càng nhỏ có độ cứng càng lớn. Hiện nay thường dùng bảng độ cứng tương đối với 10 bậc

Độ cứng theo thang Morh (thường dùng) - 10 bậc:

1

2

3

4

6

7

8

9

10

5

Topa

Thạch anh

Apatit Corindon Talc Canxit Flourit Fenspat Thạch cao Kim cương

7. Tỷ trọng G

: G < 2.4

Theo tỷ trọng, chia thành 3 nhóm: Nhẹ

Trung bình: G = 2,5  4,0 Nặng

: G > 4,0

Tỷ trọng 1 số khoáng vật tạo đá chính

Khoáng vật

Tỷ trọng

Khoáng vật

Tỷ trọng

Canxit

Muscovit

2,71  2,72

2,50  3,10

Thạch anh Plagiocla 2,65  2,66 2,60  2,78

Thạch cao

Amfibon

2,30  2,40

2,99  3,47

Đolomit Biotit 2,80  2,99 2,69  3,40 Anhidrit Piroxen 2,50  2,70 3,20  3,60

Octocla Olivin 2,50  2,62 3,18  3,45

2. KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT ĐÁ

I. Định nghĩa về đất đá

Là tập hợp cơ học của một hoặc nhiều kv khác nhau

+ Có hoặc chưa có liên kết cứng

+ Thành tạo do tác dụng của các quá trình hóa lý khác nhau.

Cần nghiên cứu:

 Thành phần KV

 Kiến trúc

 Cấu tạo

 Thế nằm

1. Thành phần khoáng vật

Khái niệm chỉ sự có mặt của các KV vật trong đá & tỷ lệ hàm lượng của chúng

2. Kiến trúc

chỉ mức độ kết tinh, kích thước, hình dạng hạt và mức độ đồng đều của chúng.

Kích thước và hình dạng hạt là do đk thành tạo của đá quyết định.

3. Cấu tạo của đất đá

Cho biết quy luật phân bố hạt KV theo các phương, hướng khác nhau trong không gian và mức độ sắp xếp chặt xít của nó.

cấu tạo của đất đá đặc trưng cho vị trí không gian của các t.phần trong đá, thể hiện mức độ đồng nhất của khối đá.

4. Thế nằm của đất đá

Cho biết hình dạng, kích thước và tư thế của khối đất đá trong k.gian cũng như mối q.hệ tiếp xúc của khối đá trong không gian đó với nhau.

Thế nằm của đất đá còn cho biết mức độ đồng nhất của nền CT cả về cường độ và ổn định thấm

Giúp XĐ đc tên đá, loại đá, điều kiện hình thành và tồn tại của đá, từ đó đánh giá được khả năng sử dụng chúng trong xây dựng CT.

IV. Phân loại đất đá theo nguồn gốc

Theo nguồn gốc – quan điểm địa chất:

– Đá magma

– Đất đá trầm tích

– Đá biến chất

I. Sự hình thành & phân loại đá magma

1. Sự hình thành đá magma

❖ Khi magma đâm thủng vỏ quả đất, chảy trên

mặt đất thì đc gọi là dung nham.

❖ Đá magma hình thành do sự nguội lạnh, đông cứng của dung nham magma khi chúng xâm nhập vào hoặc trào lên trên vỏ quả đất.

1. Sự hình thành

2. Phân loại đá magma

2.1 Theo điều kiện hình thành

a. Đá magma xâm nhập

b. Đá magma phún xuất

2.1 Theo điều kiện hình thành

a. Đá magma xâm nhập

Dung nham magma xuyên cắt vào các khe hở, kẽ nứt của các tầng đất đá trong vỏ quả đất rồi nguội đi, đông cứng thành đá magma xâm nhập

- Mắcma xâm nhập nông

- Mắcma xâm nhập sâu

2.1 Theo điều kiện hình thành

b. Đá magma phún xuất (phun trào):

Dung nham magma phun lên, chảy tràn trên mặt đất rồi nguội đi, đông cứng lại thành đá magma phun trào, theo thời gian thành tạo

- Magma phun trào cổ

- Magma phun trào trẻ

2. Phân loại đá magma (tiếp)

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

• Đá magma axit:

• Đá magma trung tính:

• Đá magma bazơ:

• Đá magma siêu bazơ:

SiO2 > 65% SiO2 = 55% ÷ 65% SiO2 = 45% ÷ 55% SiO2 < 45%

Lượng SiO2 quyết định tính chất của dung dịch magma và tính chất của đá

III. Kiến trúc của đá magma

Theo mức độ kết tinh

– Kiến trúc toàn tinh: Các kv đều kết tinh, có mặt

phân tách rõ rệt, có thể thấy bằng mắt thường

– Kiến trúc ban tinh (poocfia): một số kv lớn nổi lên

trên nền các tinh thể hạt nhỏ hoặc ko kết tinh

– Kiến trúc ẩn tinh: các kv kết tinh hạt bé, ko thấy đc

bằng mắt thường

– Kiến trúc thủy tinh: các kv ko kết tinh, ở dạng vô

định hình

III. Kiến trúc của đá magma

KT toàn tinh

KT ban tinh

KT ẩn tinh

Kiến trúc toàn tinh

Kiến trúc ban tinh (poocfia)

Khoáng vật kết tinh

Khoáng vật nền

Kiến trúc ẩn tinh

Kiến trúc thủy tinh

III. Kiến trúc của đá magma

• Theo kích thước hạt

– Hạt lớn ( > 5mm)

– Hạt vừa (5 - 2mm)

– Hạt nhỏ (2 - 0.2mm)

– Hạt mịn (< 0.2mm)

• Theo mức độ đồng đều giữa các hạt

– Kiến trúc hạt đều

– Kiến trúc hạt không đều

Theo kích thước hạt KV

IV. Cấu tạo của đá magma

Theo quy luật sắp xếp

• Cấu tạo khối: loại c.tạo theo bất kỳ hướng nào

trong đá các kv cũng phát triển như nhau. Đây là

đặc trưng của magma xâm nhập

• Cấu tạo dòng: loại cấu tạo mà các kv trong đá

tập hợp thành dải theo hướng c.động của dòng

dung nham (magma phun trào)

IV. Cấu tạo của đá magma

Theo mức độ chặt sít

❖ Cấu tạo chặt sít: các kv tạo đá sắp xếp chặt xít, liên

tục (magma xâm nhập)

❖ Cấu tạo lỗ rỗng: trong đá tồn tại các lỗ rỗng hình thành do các bọt khí & hơi nước tồn tại trong khối magma trong quá trình đông cứng (magma phún xuất)

❖ Cấu tạo hạnh nhân: Khi các lỗ rỗng trong đá đc lấp

đầy bằng các kv thứ sinh như: thạch anh, canxit..

V. Thế nằm của đá magma

Thế nằm của đá xâm nhập

❖ Dạng nền: kích thước rất lớn, đá vây quanh ko bị biến đổi thế nằm, ranh giới dưới ko xác định đc

❖ Dạng nấm: 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 ngang 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

V. ThÕ n»m cña ®¸ m¾c ma

Thế nằm của đá magma xâm nhập dạng lớp

V. Thế nằm của đá magma

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 thành dòng

❖ Dạng lớp phủ: khi magma phun theo hệ thống khe

nứt, phủ trên diện rộng

V. Thế nằm của đá Magma

Dạng vòm

Dạng dòng

Dạng lớp phủ

Dạng nón

Dạng lớp

Dạng mạch

Dạng nấm

V. ThÕ n»m cña ®¸ m¾c ma

V. Thế nằm của đá Magma

Ý nghĩa việc nc thế nằm của đá mắc ma trong XDCT thủy lợi

 Ah đến ổn định công trình

 Ah đến tính thấm nước của đất đá

 Ah đến khả năng khai thác của các loại VLXD

thiên nhiên

5. ĐẤT ĐÁ TRẦM TÍCH

I. Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

1. Sự hình thành

Hình thành do quá trình trầm đọng và tích tụ các loại VL phá hủy từ đá có trước hoặc do tích đọng xác sinh vật.

I. Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

2. Quá trình hình thành đất đá trầm tích a. 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 b. Hình thành từ quá trình tích tụ xác sinh vật c. Hình thành do bốc hơi làm nồng độ muối tăng và kết tủa

I. Sự hình thành & phân loại đất đá trầm tích

3. Phân loại đất đá trầm tích (TT) • Trầm tích mềm rời: TT chưa đc gắn kết và hóa đá.

✓ Mềm rời ko dính: cuội, sỏi, cát ✓ Mềm rời dính: sét, sét pha,

• Trầm tích vụn keo kết: TT mà các hạt vụn đó đc xi măng tự nhiên (oxit silic, oxit sắt, canxit, ….) gắn kết lại. Cuội kết, sỏi kết, cát kết,,,

• Trầm tích hóa học: TT do sự kết tủa, ngưng keo của dung dịch keo & dung dịch hòa tan. VD: muối mỏ, thạch cao, đolomit..

• Trầm tích sinh vật: TT do xác sinh vật tham gia vào t.phần tạo đá. VD: Than đá, đá vôi vỏ sò, đá vôi san hô

Một số loại đá trầm tích

Trầm tích sinh hóa

•

Đá vôi vỏ

•

Đá vôi

Một số loại đá trầm tích

Trầm tích hóa học Đá Dolomite

Trầm tích keo kết Cuội kết

II. Thành phần kv của đất đá trầm tích

1. Kv tàn dư: Kv của đá có trước còn giữ lại chưa bị biến đổi, thường là các kv trong các mảnh vụn của trầm tích vụn cơ học.

2. Kv thuần túy: Kv hình thành do sự kết tủa từ dung dịch thật. VD: thạch cao, halit, opan. Thường là t.p của trầm tích hóa học & chất xi măng gắn kết trong trầm tích keo kết

3. Kv thứ sinh: là những kv sinh ra từ những kv có

trước do biến đổi hóa học.

4. Các hóa thạch trong đá

III. Kiến trúc của đá trầm tích

1. Kiến trúc của trầm tích vụn rời: dựa vào hình dạng và

kích thước hạt

2. Kiến trúc của đá vụn keo kết: Kiểu kiến trúc keo kết,

dựa vào hình thức liên kết giữa các hạt ✓ ✓ ✓

Keo kết cơ sở Keo kết lấp đầy Keo kết tiếp xúc

3. Kiến trúc của trầm tích hóa học: Kiểu kiến trúc kết tinh.

✓ ✓ ✓

Toàn tinh Ban tinh Ẩn tinh

4. Kiến trúc đá trầm tích sinh vật: theo tên SV đá

IV. Cấu tạo của đá trầm tích

1. Cấu tạo khối: Các hạt sắp xếp hỗn độn, ko theo

quy tắc, ko định hướng

2. Cấu tạo dòng: Các hạt sắp xếp có định hướng

theo phương dòng chảy

3. Cấu tạo lớp: Các hạt kv sắp xếp có quy luật &

thành từng lớp riêng biệt

IV. Cấu tạo của đá trầm tích

Trầm tích cấu tạo khối – Red Sandstone

IV. Cấu tạo của đá trầm tích

Cấu tạo lớp của đá trầm tích – Sét kết

IV. Cấu tạo của đá trầm tích

Chú ý phân biệt 2 KN “cấu tạo lớp” và “thế nằm dạng lớp” với đá trầm tích.

❖ Cấu tạo lớp là sự sắp xếp của hạt KV thành từng lớp

(đặc trưng bên trong)

❖ Thế nằm dạng lớp là hình dạng khối đá dạng lớp do sự sắp xếp của các hạt đất đá (đặc trưng bên ngoài). Trong một lớp đá có các lớp phân bố của các hạt KV

V. Thế nằm của đá trầm tích

1. Thế nằm nguyên sinh: Thế nằm hình thành

trong quá trình trầm đọng

❖ Dạng lớp nằm ngang hoặc hơi xiên

❖ Dạng lớp vát nhọn, dạng thấu kính

❖ Dạng lớp xiên chéo

2. Thế nằm thứ sinh: Do chuyển động kiến tạo,

đá có thế nằm nghiêng hoặc uốn cong

❖ Nếp uốn (nếp lồi, nếp lõm)

❖ Đơn nghiêng

V. Thế nằm của đá trầm tích

Thế nằm nguyên sinh dạng lớp nằm ngang còn được bảo tồn

V. Thế nằm của đá trầm tích

Thế nằm thứ sinh dạng nếp uốn

6. ĐÁ BIẾN CHẤT

I. Sự hình thành và phân loại đá biến chất

1. Định nghĩa

Hình thành từ các loại đá có trước do quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ cao và áp suất lớn, xảy ra trong lòng đất

Chú ý: cần phân biệt với quá trình phong hóa đá- cũng là quá trình biến đổi thành phần và tính chất của đá nhưng xảy ra trên mặt đất do các tác nhân của môi trường bên ngoài.

I. Sự hình thành và phân loại đá biến chất

2. Sự hình thành đá biến chất

• Tại chỗ tiếp xúc với đá magma, t0 cao của khối magma

làm các lớp đá vây quanh tái kết tinh lại.

• Tại các đới phá hủy dọc các đứt gãy kiến tạo, áp suất cao làm cho các lớp đất đá bị phân phiến, cà nát mạnh……….

• Tại các vùng tạo núi, có các chuyển động kiến tạo diễn ra mạnh mẽ, các lớp đá trầm tích bị vùi sâu, chịu tác động của cả t0, áp suất lớn

I. Sự hình thành và phân loại đá biến chất

3. Phân loại đá biến chất

• Biến chất tiếp xúc – xảy ra ở chỗ t/x với đá magma

xâm nhập, tác nhân t0 gây biến chất là chủ yếu

• Biến chất động lực – xảy ra ở các đứt gãy kiến tạo,

tác nhân áp suất là chủ yếu.

• Biến chất khu vực – xảy ra ở các vùng tạo núi, các

vùng đá trầm tích bị vùi sâu. Tác nhân đồng thời cả

nhiệt độ và áp suất

I. Sự hình thành và phân loại đá biến chất

II. Thành phần KV của đá biến chất

 Kv tàn dư: kv của đá ban đầu ko bị biến đổi trong

quá trình biến chất

 Kv thuần túy: hình thành trong quá trình biến chất

– là các kv nội sinh.

 Đặc điểm thành phần kv của đá biến chất:

 Cường độ cao,

 Kém ổn định trong đk môi trường

 Thông thường tỉ trọng cao, ko chứa nước hoặc

nghèo nước

III. Kiến trúc của đá biến chất

• Kiến trúc biến tinh: hình thành do kết tinh hoặc tái

kết tinh KV của đá ban đầu

• Kiến trúc toàn tinh

• Kiến trúc ban tinh

• Kiến trúc ẩn tinh

• Kiến trúc milonit (kiến trúc cà nát – đặc trưng cho

biến chất động lực): Đá bị miết, nghiền nát sau đó đc các kv khác gắn kết lại

• Kiến trúc vảy: các hạt KV dạng vảy, dạng phiến, định

hướng dưới td của áp lực

III. Kiến trúc của đá biến chất

IV. Cấu tạo của đá biến chất

• Ct khối: thường xảy ra ở đá biến chất tiếp xúc

IV. Cấu tạo của đá biến chất

Ct phiến: Khi trong đá các kv dạng tấm, dạng que sắp xếp định hướng theo phương vuông góc với áp lực, thường thấy ở biến chất khu vực & biến chất động lực. Đá dễ tách

100

IV. Cấu tạo của đá biến chất

Ct gơnai (gneiss): Các kv sáng mầu & tối màu nằm xen kẽ nhau thành các dải. Do biến chất sâu sắc, các kv tối màu có xu hướng tách riêng, thành các dải định hướng (vuông góc với chiều áp lực)

101

V. Thế nằm của đá biến chất

• Đá biến chất tiếp xúc: Dạng đới bao quanh

• Đá biến chất động lực: dạng tuyến dọc theo

đứt gãy

• Đá biến chất khu vực: giữ nguyên thế nằm ban

đầu

102

Câu hỏi ôn tập

1) Định nghĩa khoáng vật? Mục đích nghiên cứu?

2) Các đặc trưng cơ bản của đất đá?

3) Đá mắc ma: Phân loại, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm?

4) Đá trầm tích: Phân loại, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm?

5) Đá biến chất: Phân loại, kiến trúc, cấu tạo, thế nằm?

103