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地质基础知识

土力学与地基基础

主讲:

李椋京

福建信息职业技术学院

建筑工程系

第一章地质基础知识

第一节地球层圈构造和地表形态

46亿年。

地球大致以地壳表层为界限分为地球内部层圈和地球外部层圈。

内、外部层圈又进一步分成6个不同的层圈。

一、地球外部层圈及其主要特征

地球外部层圈指包围着固体地球表层的地球组成部分，分为大气圈、水圈和生物圈。

（一）大气圈

大气圈是地球的最外圈。

根据气温垂直变化，从下而上将大气圈进一步分为对流层、平流层（同温层）、中间层、暖层（电离层）、散逸层。

1、对流层是大气圈的最低层，下界为地表，上界为平流层底，厚约9－17公里，两极最薄，赤道最厚，在气候变化中起着重要的作用。

对流层的大气就是空气。

2、平流层是对流层顶部至大约50公里高空的大气层，它的特点是大气以水平运动为主，其温度基本上不受地面温度的影响，平流层中存在大量的臭氧，成为地球生物的天然保护层，使生物免受紫外线的伤害。

（二）水圈

固体地球表面包围着一层水体即水圈。

它大部分汇聚于海洋里，其它部分分布于大陆上的湖泊、河流、冰川、土壤和浅部岩石的孔隙中，构成一个不甚规整而基本连续的水圈。

海水占％，其它大陆水体占％。

在大陆水体中，极地和高山的冰雪约占其体积的％，其余不足1／4的水为地下水、湖泊水和河流水体。

地球上的水以气、液、固三相态的形式赋存于大气、地表和地下，它不断地蒸发、凝结、降水、径流等方式交替移动，形成水分循环系统，这种循环在塑造地表形态的作用中起极其重要的作用。

（三）生物圈

生物圈是由地球表层生命物质即生物——动物、植物和微生物组成的一个封闭的层圈，也就是有机体的分布和活动的地球外圈，包括了近地表的大气圈和地壳表层，以生物生存的最大高度（约10公里）和最大深度（约3公里）为其上下界线。

出现于33亿年前，现在大约有100多万种动物、30多万种植物和数十万种微生物。

二地球内部层圈及其主要特征

地球内部层圈就是固体地球的内层圈，按照莫霍面和古腾堡面（该界面波速不连续）两界面，地球内部分成地壳、地幔和地核三大层圈，又进一步细分若干次一级层圈。

（一）地壳（Crust）

固体地球在莫霍面以上的部分称为地壳，它厚约33公里（大陆）或7公里（深海），总平均厚度16公里，大致为地球半径的1／400，仅是地球表层的一层薄壳。

大陆地壳可分为上下两层，上层为花岗岩质层或硅铝层；下层为玄武岩质层或硅镁层。

（二）地幔（Mantle）

地幔即中间层，该层上界为莫崔面，下界为古腾堡面，厚约2900公里，按体积比约占整个地球的％，按质量比则占％，因此它是地球的主体部分，且基本上由固态物质组成，密度大于，从莫霍面以下到大约1000公里深处，称上地幔，1000－2900公里深处称下地幔。

上地幔上部约90－400公里处存在一个软流层，为低速，将其上固态岩石上地幔上部和地壳统称为岩石圈。

（三）地核（Core）

地核是以古腾堡面为顶界面直到地心的地球中心部分，其厚度约3473公里，占地球总体积％，占总质量约l／3。

根据地震波速度变化情况可将地核分为外核、过渡层和内核三部分。

其物质组成推测为铁、镍为主，并含少量硫、硅元素。

三、地球形状和地表形态特征

（一）地球的形状和大小

地球形状大小的主要数据如下：

赤道半径（A）6378.16公里

两极半径（C）6356.755公里

扁率（A－C）／A=1／

赤道周长40075.24公里

子午线周长40008.08公里

表面积0平方公里

体积立方公里

地球体或大地水准球体（geoid），接近于旋转椭球体（扁球体）。

而地球真实形状与之稍有出人，其南北半球并不对称，北极略凸出，南极略平凹，呈梨状。

偏离很小，且扁平率不大，看作一个球体。

地球具有塑性；地球内部存在着大范围的物质对流。

（二）固体地球表面的一般特征

最明显的特征是高低不平，基本上可划分为陆地和海洋两大部分。

大陆的平均海拔为875米，最高为亚洲的珠峰（8848.13米）；大洋平均深3729米，最深为西太平洋的马里亚纳海沟（－11033米）。

1、大陆表面的形态特征

按照高程和起伏特征，分为山地、丘陵、平原、高原、盆地等地形类型。

（1）山地

山地是指绝对海拔高程较高（大于500米）、地形起伏较大、相对高程在200米以上的地区。

一般海拔500－1000米为低山，1000－3500米为中山，大于3500米者为高山。

山体呈线状分布的山地称山脉，如福建的武夷山脉、新疆的天山山脉。

（2）丘陵

丘陵指有一定起伏的低矮地区，一般海拔在500米之下，相对高差不超过200米，地形特征介于山地和平原之间。

如福建大部分地区属于丘陵地形。

（3）平原

平原指面积较大、地势平坦或略有起伏的地区。

其海拔小于200米，内部相对起伏（高差）不超过数十米。

如我国华北平原、长江中下游平原。

典型的平原多为冲积平原，；还有一些少数不很典型的平原，其上面松散沉积物层较薄，许多基岩直接出露，这些地区不像冲积平原那样平，常有低丘，如福建沿海小平原。

（4）高原

高原是海拔高度较大（大于600米）、表面较为平坦或略有一定的起伏的广阔地区。

世界着名的有青藏高原、蒙古高原、巴西高原等。

（5）裂谷系统

大陆上有些宏伟的线状低洼谷地，这是地壳上被拉张而裂开的地区。

平面呈近90?

或更大角度的“之”字型曲折延伸，且常有分枝、合并的现象。

这类谷地称为裂谷或裂谷系统。

它宽30－50公里或更宽，两壁或一壁多为陡峭的断崖，中间为低凹下陷的谷地。

世界最着名的裂谷是东非大裂谷。

2、海底表面的形态特征

海底面积占地表71％，它具有比大陆更广阔更年轻的平原，也有更为险峻更宏伟的的山脊和海沟。

根据海底地形的基本单元特征，可以将海底分为海岭、海沟、大洋盆地、大陆边缘等地形单元。

（1）海岭（Range）

海底的山脉泛称海岭，其中某些位于大洋中背、经常发生地震和正在活动的海岭称为洋脊或洋中脊。

洋脊为海底线状隆起地带，呈一系列平行的鱼鳍状山脉，其中部最高，中央部位常有巨大的裂谷，称为中央裂谷。

太平洋洋脊的中央裂谷不明显而称之为洋隆或洋中隆。

洋脊的中央裂谷在形态上与大陆裂谷极为相似，而且有些地方互相连接成全球的裂谷系统，如红海洋脊实际上是东非大裂谷的一段。

（2）海沟（Trench）

海底的长条形洼地，泛称海槽（Trough），其中较深且边坡较陡的称海沟。

海沟长度一般超过6000米，世界上最深的海沟是马里亚纳海沟，深达11033米，它是地球表面最低的地段，其地表规模仅次于洋脊。

（3）大洋盆地（OceonBasin）

大洋盆地是海底地形的主体，约占海底面积的1／2，一般水深4000－5000米，平均3700米，比较平坦，有一些地段低缓起伏，分为深海丘陵和深海平原两个单元。

（4）海山（Seamount）

海山是大洋底上孤立或比较孤立的隆起地形，其高度大于1000米，一般呈圆锥形，边坡较陡，多由玄武岩组成。

（5）大陆边缘

大陆边缘是大陆和大洋盆地之间的过渡地带或连接地带，占海底面积约1／5，它包括大陆架、大陆坡和大陆基，但大陆基实际上是大陆坡向大洋盆地的过渡带，而大陆架是大陆边缘的主要地形单元。

（6）大陆架（ContinentalShelf）

大陆架紧靠大陆分布的浅水台地，是大陆向水下自然延伸的部分，其表面平坦，坡度小于0，1P；其外缘有一坡度转折线，该线之下则属大陆坡。

欧亚大陆、北冰洋沿岸的大陆架最为发育，宽可达500公里以上，而印度洋大陆架最不发育。

（7）大陆坡（ContinentalSlope）

海底从大陆架外缘坡度转折线开始，沿较陡的斜坡一直到深海底，这个斜坡地带称为大陆坡。

它平均坡度，最大可达2W；宽度较窄，一般20－40公里，平均28公里；坡脚的深度一般在1400←3000米。

（8）大陆基（ContinentalRise）

大陆坡从坡脚逐渐变缓，过渡为大洋盆地的这一地带，称大陆基，它是由海洋沉积物组成，表面常有被浊流冲蚀的沟渠。

第二节地质作用概述

—、地质作用概念

在自然界所发生的一切可以改变固体地球物质组成、构造和地表形态的作用，统称为地质作用（CeσlogicolProcε埘）。

猛烈的地质作用地震、火山喷发、山洪和泥石流；缓慢的地质作用岩石风化、海陆变迁、山脉隆起、地面下陷等。

二、地质作用的动力能及来源

（一）内部能内部能来自地球本身的能，包括重力能、地热能、旋转能等。

（二）外部能外部能主要是来自地球以外的太阳辐射能和日、月引力能。

三、地质作用基本类型

根据地质作用的动力能来源和作用的主要部位，可分为内动力地质作用（简称内力地质作用或内力作用）和外动力地质作用（简称外力地质作用或外力作用）两大类

型（表1－2－l）。

（—）内动力地质作用（EndogenousProce埘eδ）

内动力地质作用即以地球内部能为动力能而产生的地质作用，它主要在地下深处进行，并波及地表，主要包括构造运动、地震作用、岩浆作用和变质作用等。

（二）外动力地质作用（Exogenσus尸｀σcesses）

以外部能为主要能源，并在地表或地表不太深的部位（即近地表）进行的地质作用，称为外动力地质作用。

重力能主要是外部能转换的位能。

外动力地质作用实质上是各种形式的水、大气和生物，以外部能为能源，对地壳（主要是地壳表面）的岩石进行塑造的过程。

它包括风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和沉积成岩作用等。

在地壳演化过程中，内动力地质作用起主导作用。

第四节岩石

岩石（Rock）是矿物的集合体，它是在地壳和上地幔由各种地质作用形成的，由一种和多种矿物或玻璃质等组成的，具有稳定外形的固态集合体。

它不包括元定形的泥、砂等松散物及各种气、液体。

但就其成因而言，可以分为三大岩类，即岩浆岩、沉积岩、变质岩。

在这三大岩中，若按质量百分比计算，以岩浆岩最多（％），变质岩次之（％），沉积岩最少（％）；若以地表分布面积来看，沉积岩分布最广泛（占75％），而其它岩类相对较少。

一、岩浆岩（MagmaticRock）

（一）岩浆岩概述

1、岩浆岩，也称火成岩（IgneousR。

ε∴）。

根据对现代火山直接观测表明，地下深处有炽热的硅酸盐熔融体，即岩浆（Mogrno）；岩浆在巨大的压力作用下，总是向地壳薄弱的地带或断裂处这些压力小的地方流动，并循裂隙侵入地壳，甚至力图冲出地表；在岩浆侵入地壳的过程中，岩浆本身的温度、压力在降低变小，其物质成分也不断地结晶和分异。

当岩浆侵入到地壳而未达到地表就冷凝成岩的作用，称为侵入作用，其形成的岩石称侵入岩（九＇｀usiqeRoch）；若岩浆喷出地表（火山喷发）后冷凝成岩的作用，称为喷出作用或火山作用，其形成的岩石称喷出岩（狭义的火山岩）（岛ε厂usiueRoc“）。

2、岩浆岩分类常以化学成分为基础，将岩浆岩分成酸性岩浆岩、中性岩浆岩、基性岩浆岩、超基性岩浆岩四大类及过渡类型，四大类型岩石特征见下表1－4－2。

在矿物成分上，岩浆岩以硅酸盐类矿物组成，主要由石英、长石等浅色的硅铝矿物和角闪石、辉石、黑云母、橄榄石等暗色的铁镁矿物组成，详见上表1－4－2。

（三）常见岩浆岩类型及岩石学特征

（l）花岗岩（Cr。

nite）

该岩石颜色较浅，一般浅肉红色、灰白色，中粗粒半自形粒状结构（又称花岗结构），少数似斑状结构，块状构造为主。

主要矿物为石英（大于20％）、碱性长石（含量一般占长石总量2／3及以上）、中酸性斜长石；次要矿物有黑云母、角闪石等，含量一般小于5％；副矿物有锆石、磷灰石、榍石等。

该类岩石在福建沿海广布，属酸性侵人岩。

（2）流纹岩（尺九yolite）

该岩石颜色多为浅色，如浅灰、灰红、粉红、黄白色等，少数为深灰或砖红色；斑状结构、隐晶质结构或玻璃质结构，流纹构造、块状构造或气孔构造。

新鲜的流纹岩常具瓷状断口或贝壳状断口。

它属于酸性喷出岩。

除流纹岩外，其它酸性喷出岩还有英安岩、黑曜岩、珍珠岩、松脂岩等常见，在福建均有分布。

（3）辉长岩（Cobb／o）

该岩石颜色以灰黑、深绿色为主，中粗粒半自形粒状结构（又称辉长结构），块状构造、条带状构造，属基性侵人岩。

辉绿岩在福建多以脉状浅成侵人于中生代火山岩中。

（4）玄武岩（Bosolt）

该岩石颜色总体上较深，以黑、绿、灰绿、暗紫色等为主，矿物成分同辉长岩，以辉石和基性斜长石为主。

其结构以斑状结构或无斑隐晶结构为主，也有半晶质和玻璃质结构（较少），常见的斑晶为橄榄石（常蚀变变成伊丁石）、斜长石、辉石等，基质多为隐晶质；气孔构造及杏仁构造普遍发育，有时枕状构造、块状构造，有的厚层状玄武岩还有十分发育的柱状节理（如福建龙海牛头山火山口的玄武岩具典型的柱状节理，现已开发为国家级地质公园）。

（5）闪长岩（Diσ｀扔ε）

（6）安山岩（Andesite）

二、沉积岩（SedimentoryRσch）

（一）沉积岩概述

沉积岩是在地表或地表以下不太深的部位形成的地质体。

它是在常温常压下，由母岩的风化产物或由生物作用和某些火山作用所形成的物质，经过搬运、沉积、沉积成岩等地质作用而形成的层状岩石。

如砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩等都是常见的沉积岩。

可见，沉积岩是各种外力地质作用形成的岩石，并以海水、河水、湖泊水等流水及风、冰川等剥蚀、搬运、沉积而形成的。

1、沉积岩中矿物成分较简单，富含Coz、σ2和“2σ。

粘土矿物、盐类矿物及煤、石油等有机质均为沉积岩所特有。

2、沉积岩结构取决于产生某一类沉积岩的外力地质作用。

常有碎屑结构、生物结构和晶粒结构等类型，其中碎屑结构和生物结构是沉积岩所特有的。

3、沉积岩具有典型的成层构造，不同的沉积环境而形成不同的层理类型，并且在层面上常具有的泥裂、波痕、缝合线构造都是沉积岩所特有的。

4、沉积岩中含有大量的生物化石，它是鉴定、划分和对比地层的主要标志。

5、沉积岩颗粒间存在孔隙。

6、沉积岩颜色主要受沉积环境彤响，且较直观易于观察。

沉积岩在地表分布很广，全球而言其覆盍面积达75％，而我围大陆沉积岩覆盍面积过77。

3％；但就其重量而言，仅占地壳的9％；体积而言仅占地球体积的％。

（五）、沉积岩的分类

沉积岩种类很多，一般以岩石的成因、成分、结构、构造等进行分类，将其分为五大类（见表1－4－6）

本教材以沉积岩的物质来源作为沉积岩分类基础，结合其物质成分、沉积方式和岩石结构构造等因素，可将沉积岩分为外源沉积岩和内源沉积岩两大类。

（表1—4－7）

（六）常见沉积岩岩石类型及主要鉴定特征

（1）砾岩（Cσnglornerote）

（2）砂岩（δond＄tone）

（3）粉砂岩（Siltstσ乃ε）

粉砂岩分布很广，我国很多杂色岩层、红层均为粉砂岩层。

它是在水动力条件较弱、沉积速度缓慢、环境较安定的情况下形成的，多产于河漫滩、三角洲、泻湖及湖海较深处。

（4）粘土岩

（5）石灰岩（Lirnestone）

福建石灰岩主要分布于西部地区石炭、二叠系地层中。

沉积岩石除上述典型类型外，常常有过渡性的岩石，如砂质泥岩、砂质砾岩等。

（6）火山碎屑岩

三、变质岩（Met。

mo／P允icRoch）

（—）变质岩及变质作用概述

变质岩是由变质作用形成的岩石。

它是地壳中已形成的岩石，在特定的物理化学条件下，其矿物成分和结构构造发生转变而形成新的岩石类型。

这种由地球内力作用引起的，原岩产生变化和再造的地质作用，称为变质作用。

变质作用不同于岩浆作用，因为变质作用形成过程一般是在温度和压力升高的条件下进行的，岩石的一切变化和再造基本上是在固态下进行的；而岩浆作用则是由硅酸盐高温熔融体经冷凝或结晶转变成固态岩石的过程。

变质作用也不同于风化作用，因为风化作用发生于地表或近地表的环境，以及在常温、常压的条件下的一种外力地质作用，而变质作用则是在地表以下较深的地带，通常是在高温高压等条件下进行的，而且它不包括成岩阶段中岩石的一切变化。

中国北方有大量的变质岩分布，福建变质岩仅见于闽西、闽北地区晚元古代至奥陶纪一些地层及沿海动力变质带中，且少量分布。

（二）变质岩化学成分

变质岩化学成分与原岩密切相关，在没有其它组分参与的条件下，完全取决于原岩成分。

总体上说，主要由Sj、Al、Co｀Mg、K、No、Fe、况、P等氧化物及〃2σ、Coz组成，但在不同变质岩中成分变化很大。

科学研究表明，具有相同的化学成分的原岩，在不同的变质条件下所形成的一系列不同的变质岩，称等化学系列；而化学成分不同的原岩，在相同的变质条件下，形成各种不同的变质岩，称等物理系列。

（五）变质岩分类及常见变质岩的特征

变质岩分类很复杂，一般先根据变质作用的类型，将变质岩分为接触变质岩、气液变质岩、动力变质岩、区域变质岩、混合岩等大类，每大类又分为许多类型。

就全球分布来讲，区域变质岩最多，如板岩、千枚岩、片岩、片麻岩（见表1—4－13）。

常见的主要变质岩：

1、角岩（Ho厂nfels）

2、大理岩（Mo砧！

ε）

3、石英岩（Qu。

rtzite）

4、板岩（Slote）

5、千枚岩（Phyllite）

6、片岩（Sch枘）

7、片麻岩（Gneiss）

8、混合花岗岩

第五节地质年代

—、相对地质年代

地质时间系统最初主要是根据各种岩石、地层的新老关系，即其形成的先后时间顺序建立起来的。

地层是一定地质时代形成的成层的岩石组合，包括沉积岩、喷出岩、变质岩，按其形成的时代单位划分为宇、界、系、统等不同级别的单元（年代地层单位），与之相对应的地质年代为宙、代、纪、世（地质时代单位），它属国际统一的，以下定的古生物特征为标准，称之为国际性地层。

在一些较小地区范围由于古生物不足或研究程度不够，常依据岩石特征或构造运动性质等来划分地层，这些仅适合于较小地区的，称为地方性地层单位，它并按级别分为群、组、段（如福建晚侏罗世、早白垩世地层）。

二、绝对地质年代

又称绝对年龄，它表示矿物、岩石形成的确切年龄。

主要是通过测定矿物、岩石中的放射性同位素及其衰变产物的含量，再经计算得出，并常以百万年为时间单位。

通过研究，将地质年代按时代早晚的顺序进行编年，则成为地质年代表.