Bài giảng Địa chất công trình - Huỳnh Ngọc Hợi

Nội dung text: Bài giảng Địa chất công trình - Huỳnh Ngọc Hợi

1. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình TRƯỜNG CAO ĐẲNG PHƯƠNG ĐƠNG QUẢNG NAM KHOA KỸ THUẬT BÀI GIẢNG ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH College CPD Năm 2011 GV: Huỳnh Ngọc Hợi 1
2. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình MỞ ĐẦU NHỮNG NÉT ĐẠI CƯƠNG VỀ MƠN HỌC §1. ĐỊA CHẤT HỌC VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA NĨ 1.1. Định nghĩa: Địa chất học xuất xứ từ thuật ngữ Geologes (Hy Lạp) Ge: Trái đất. Logos: lời nĩi, học thuyết. Geology (Anh) Geologie (Pháp) reoπouπ (Nga). Là mơn học về trái đất địa chất học bao gồm các kiến thức của ngành khoa học về trái đất, trong đĩ cĩ những ngành như địa lý, địa vật lý, địa hố, địa mạo Hiện nay, người ta hiểu địa chất học theo nghĩa hẹp là mơn học khoa học nghiên cứu vỏ trái đất, đúng ra là nghiên cứu thạch quyển (quyển đá) bao gồm cả phần vỏ và phần trên của lớp manti (Manti: cĩ người cịn gọi là lớp cùi, là lớp trung gian giữa nhân và vỏ trái đất). 1.2. Đối tượng và nhiệm vụ của địa chất cơng trình: Đối với các lĩnh vực địa chất cơng trình, địa chất thuỷ văn và các ngành cĩ liên quan thì địa chất học đĩng gĩp những hiểu biết cần thiết cho cơng tác xây dựng, thiết kế. Qui hoạch kinh tế, đơ thị, bảo vệ mơi trường sống, phịng chống thiên tai (như động đất, núi lửa, lũ lụt, sạt lở, nhiễm mặn ) cho đến cả khai thác ưu thế tiềm năng về du lịch Địa chất học cịn cung cấp những cứ liệu khách quan gĩp phần thúc đẩy các ngành khoa học phát triển, kể cả về mặt triết học duy vật biện chứng và đời sống văn minh tinh thần, đĩng gĩp cho sự phát triển về mặt nhận thức luận và phương pháp luận. địa chất học bắt nguồn từ một mơn khoa học phục vụ cho nhu cầu sản xuất trong thời kỳ tiền tư bản chủ nghĩa, dần dần hình thành rất nhiều chuyên ngành đi sâu giải quyết các nhiệm vụ trên. Cĩ thể bao gồm các mơn khoa học sau: 1. Các mơn khoa học nghiên cứu thành phần vật chất của vỏ trái đất như: tinh thể học, khống vật học, thạch học 2. Nghiên cứu về lịch sử phát triển địa chất vỏ Trái đất như cổ sinh vật học, địa sử, địa tầng học, cổ địa lý, kỷ đệ tứ College 3. Nghiên cứu chuyển động của vỏ như địa chất cấu tạo, địa kiến tạo, địa mạo, tân kiến tạo 4. Nghiên cứu sự hình thành, phân bố của khống sản, cách tìm kiếm thăm dị chúng, bao gồm các mơn học như khống sàng học, địa chất dầu, địa chất mỏ than, tìm kiếm thăm dị các khoảng, địa hố, địa vật lý, kinh tế địa chất, khoan thăm dị 5. Nghiên cứu sự phân bố và vận động của nước dưới đất như địa chất thuỷ văn, động lực nướcCPD dưới đất 6. Nghiên cứu các điều kiện địa chất các cơng trình xây dựng như các mơn địa chất mơi trường, địa chấn, địa chất du lịch Từ những nhiệm vụ, nội dung khái quát nêu trên cĩ thể rút ra được ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của địa chất học và địa chất địa cương. 1.3. Mối liên quan của địa chất học với với các ngành khoa học tự nhiên: Vật chất trong Trái đất và quá trình hoạt phát triển của các hiện tượng địa chất xảy ra trong những điều kiện vật lý, hố học, sinh học và các điều kiện tự nhiên khác vơ cùng phức tạp, vì thế địa chất học cĩ liên quan mật thiết với nhiều ngành khoa học: vật lý, hố học tốn học, sinh vật học, cơ học địa chất học sử dụng các thành quả nghiên cứu sử dụng các phương pháp nghiên cứu của các ngành khoa học nĩi trên. Từ đĩ đã nảy sinh các mơn khoa học cĩ tính liên kết mà mục đích là nhằm giải quyết các nhiệm vụ của địa chất học. đĩ là: địa vật lý: địa hố, sinh địa hố, địa chất phĩng xạ, tốn địa chất, địa cơ học, địa chất mơ phỏng GV: Huỳnh Ngọc Hợi 2
3. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 1.4. Xu hướng phát triển và đi sâu của địa chất học: Cũng như các ngành khoa học khác, nhờ những cơng cụ, thiết bị hiện đại địa chất học hướng sự nghiên cứu vào cả thế giới vật chất của Trái đất trong phạm vi vĩ mơ cũng như vi mơ. Mặt khác địa chất học cịn hướng vào quá khứ lâu dài trước khi cĩ dấu vết của sự sống nảy sinh. đi vào những vấn đề cụ thể, địa chất học cĩ xu hướng. - Tìm hiểu dần vào sâu trong vỏ đến nhân Trái đất. Độ sâu trực tiếp mà con người với đến được với những lỗ khoan sâu trên 10 km ở Mỹ và Liên Xơ. - Tìm hiểu mối liên hệ của Trái đất như là một thiên thể vũ trụ, với các hành tinh trong hệ mặt trời và xa hơn là trong vũ trụ. - Nghiên cứu các hành tinh gần Trái đất như nghiên cứu Mặt trăng, sao Hoả, sao Kim qua đĩ mà hiểu được sự phát sinh của Trái đất. Những số liệu và kiến thức năng cung cấp cho sự hồn thiện mơn địa chất vũ trụ học. §2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT HỌC 2.1. Địa chất học: là một mơn học khoa học tự nhiên. Giống như các ngành khoa học tự nhiên khác, địa chất học sử dụng phương pháp nghiên cứu theo logic khoa học tự nhiên như theo trình tự đi từ quan sát đến phân tích xử lý số liệu, tiến đến quy nạp tổng hợp đề xuất các giả thuyết, định luật. Tuân theo phương pháp luận của duy vật biện chứng, nghĩa là đi từ thực tiễn đến lý luận rồi áp dụng vào thực tiễn theo một trình tự tiến triển dần của nhận thức luận. 2.2. Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu của địa chất học cĩ những đặc thù riêng khác với các ngành khoa học khác đĩ là: a. Đối tượng nghiên cứu của mơn học chủ yếu là vỏ Trái đất. Đĩ là đối tượng yêu cầu phải nghiên cứu tại thực địa, ở ngồi trời chứ khơng phải chỉ cĩ trong phịng. b. Đối tượng đĩ lại chiếm một khơng gian vơ cùng sâu rộng, vượt xa khả năng trực tiếp quan sát nghiên cứu của con người. (Lỗ khoan siêu sâu mới đạt 12 km xuyên vào lịng đất). Đối tượng nghiên cứu cĩ qui mơ hàng trăm hàng nghìn ki-lơ-mét, nhưng cũng cĩ cái chỉ sâu độ vài mét,College vài cen - ti - mét đến micron. c. Thời gian diễn biến các quá trình địa chất rất dài, trải qua hàng vạn, hàng triệu năm nhưng cũng cĩ hiện tượng chỉ xảy ra trong một vài giờ, vài phút, vài giây như các hiện tượng động đất, núi lửa d. Quá trình địa chất phát sinh và phát triển lại rất phức tạp, chịu nhiều yếu tố chi phối tác động. Ví dụ những quá trình địa chất xảy ra ở sâu cĩ thể chịu nhiệt độ tăng cao tới 4000 – 600000C, áp suất đến 3 - 106 atm khác xa với điều kiện ở trên mặt. Vì những CPDlẽ trên, các phương pháp nghiên cứu của địa chất học cịn cĩ những điểm riêng biệt. Mơn học cịn sử dụng: - Phương pháp nghiên cứu ngồi thực địa bao gồm khảo sát, thu thập mẫu, phân tích từ kết quả cĩ được dự đốn những khảo sát, phát hiện mới. Các quan sát trực tiếp ngồi thực địa về sau được nhiều phương tiện máy mĩc thay thế và nâng cao hiệu quả nghiên cứu như máy mĩc địa - vật lý, các cơng trình khoan đặc biệt các phương tiện viễn thám (máy bay, vệ tinh, con tàu vũ trụ) đã mở rộng tầm mắt, nối dài tầm tay cho con người. Ngày nay nghiên cứu địa chất nhất là trong đo vẽ bản đồ địa chất khơng thể thiếu được cơng tác phân tích ảnh viễn thám. M.N.Petruxevich (1961) đã nhận xét rằng sự xuất hiện ảnh viễn thám với kính lập thể là một bước ngoặt lịch sử để nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái đất, nĩ cĩ ý nghĩa to lớn như sự xuất hiện kính hiển vi phân cực ở thế kỷ trước để tìm hiểu thành phần vật chất vi mơ. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 3
4. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình - Phương pháp nghiên cứu trong phịng được chú ý với những hướng sau: Các phương pháp phân tích mẫu ngày càng được cải tiến với phương hướng nâng cao hiệu quả và tốc độ phân tích, đồng thời đi sâu vào cấu trúc bên trong của vật chất. Sử dụng phương pháp tổng hợp thực nghiệm (ví dụ trong việc tạo ra các khống vật tổng hợp, các đá nhân tạo ) song song với xử lý, phân tích số liệu. - Phương pháp mơ phỏng trên cơ sở của nguyên lý tương tự để mơ hình hố các quá trình biến dạng, biến động cấu tạo, sự hình thành các khống sàng. Trong cơng tác thăm dị địa chất thường sử dụng mơ hình hố tốn học cĩ sự tham gia ngày một nhiều của máy tính điện tử. Phương pháp cũng cĩ mặt hạn chế: Hồn cảnh, điều kiện địa chất khơng phải trước kia mà bây giờ đều hồn tồn giống nhau hẳn mà cĩ sự diễn biến tiến hố nhất định. Ví dụ trước Paleozoi, Trái đất cĩ nhiều SiO2, nhiều MgO hơn bây giờ. Ví dụ những sinh vật lúc trước ở biển nơng, bây giờ tồn tại ở biển sâu. Do đĩ khi suy luận phải thận trọng. Khi phân tích các hiện tượng địa chất cổ xưa, trong các nhà nghiên cứu đã đề xuất khái niệm về đồng biến luận (Uniformitarism) và tai biến luận (Catastrophism). Cĩ người cho là quá trình tiến hố của địa chất là quá trình kịch phá, đột ngột (tai biến). Chúng ta khơng nên cực đoan theo một chiều hướng nào. Thực tiễn cho thấy Trái đất tồn tại cả hai dạng. Chẳng hạn phải hàng ngàn năm, triệu năm mới cĩ một bề dày trầm tích đáng kể tức là mỗi năm chỉ lắng đọng ở đáy biển một lớp trầm tích độ vài cm thậm chí chỉ vài mm. Mặt khác cũng cĩ hoạt động núi lửa, bão tố chỉ trong một thời gian rất ngắn ngủi của một vài ngày, một vài giờ, đã gây ra những thay đổi lớn. Một hiện tượng tai biến xảy ra trước đây 65 triệu năm (từ cuối Crêta đến đầu Oaleogen) dẫn đến diệt chủng của hơn 250 lồi bị sát từ loại khủng long nặng 50 tấn cho đến loại nhỏ cỡ con mèo. Một số nhà khoa học tên tuổi từng được giải Nơbel cho rằng tai biến này xảy ra là do Trái đất va chạm vào một thiên thể từ bên ngồi tới. - Phương pháp đối sánh địa chất: Sử dụng những tài liệu về địa chất đã được nghiên cứu hiểu biết kỹ của một khu Collegevực, một vùng để liên hệ so sánh và rút ra kết luận đúng đắn cho nơi mình đang nghiên cứu. §3. ĐỊA CHẤT HỌC VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CƠ SỞ TÀI NGUYÊN KHỐNG SẢN, PHÁT TRIỂN NỀN KINH TẾ CỦA ĐẤT NƯỚC Địa chất là cơ sở lý luận khoa học bao gồm cả lý thuyết và thực hành giúp cho việc phát hiện, thăm dị các tài nguyên khống sản cĩ ích điều tra và đánh giá các nền mĩng cho các cơngCPD trình xây dựng kiến trúc phịng chống các hiện tượng địa chất gây tác hại cho cuộc sống lồi người. Vì thế mỗi quốc gia đều cĩ cơ sở tổ chức nghiên cứu về địa chất cho nước mình để tiến hành các mặt cơng tác. Cung cấp các tư liệu về tính chất và độ ổn định các nền mĩng phục vụ cho việc thiết kế, chọn tuyến đường giao thơng, xây dựng cầu cống, đập nước, đê điều, cảng, các cơng trình kiến trúc Cung cấp những tư liệu cần thiết giúp cho việc bảo vệ mơi trường được trong sạch, đảm bảo điều kiện sống, điều kiện vệ sinh cho nhân dân dự báo và phịng chống các thiên tai về địa chất các hiện tượng địa chất cĩ hại. §4. NGUỒN GỐC TRÁI ĐẤT VÀ SỰ TIẾN HĨA CỦA NĨ Từ xưa đã được con người và nhiều ngành khoa học như thiên văn, địa lý địa chất, vật lý, triết học quan tâm nghiên cứu giải thích. Nhận thức trải qua nhiều giai đoạn. Trước thế kỷ XVIII việc giải thích thường mang màu sắc thần bí, duy tân, tơn giáo. Từ GV: Huỳnh Ngọc Hợi 4
5. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình thế kỷ XVIII trở đi việc giải thích gắn với các giả thuyết khoa học. Ngày nay người ta nhận thấy sự hình thành và phát triển của Trái đất cĩ liên quan với thành phần vật chất, các diễn biến tiến hố của các trường địa - vật lý, các trạng thái địa nhiệt, với nguồn gốc của các vịng quyển bao quanh Trái đất. Mặt khác nhiều tư liệu cho thấy sự hình thành Trái đất chịu ảnh hưởng rất lớn của các hệ thống thiên thể gần và xa trong vũ trụ, trước mắt quan trọng hơn cả là hệ Mặt trời. Những biến đổi lớn về mặt địa chất, khí hậu trên Trái đất phản ánh sự tiến hố của các thiên thể trong hệ Mặt trời. §5. ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH ĐỐI TƯỢNG VÀ NHIỆM VỤ 5.1. Định nghĩa: Địa chất cơng trình nghiên cứu đất, đá phần trên của vỏ trái đất, thành phần, tính chất cơ lý của chúng cũng như những tác dụng tương hỗ với nước và các quá trình địa chất động lực liên quan đến các hoạt động cơng trình của con người phục vụ cơng tác xây dựng các cơng trình khác nhau. Địa chất cơng trình bao gồm: thạch luận cơng trình, địa chất động lực cơng trình, địa chất cơng trình chuyên mơn, địa chất cơng trình khu vực. 5.2. Đối tượng của mơn địa chất cơng trình: là các điều kiện địa chất cơng trình. (Là đất đá, nước dưới đất và tác dụng qua lại giữa chúng với nhau và với mơi trường bên ngồi ) Địa mạo là hình dạng, kích thước, độ cao, mức độ phân cắt, nguồn gốc tạo thành, xu thế phát triển của địa hình nơi xây dựng cơng trình. College - Cấu tạo và cấu trúc địa chất: Sự phân bố, thành phần, tính chất xây dựng của đất đá (cường độ chịu lực, độ ổn định, khả năng thấm nước, ) vàCPD các biến động địa chất như: uốn nếp, nứt nẻ, đứt gãy - Các tác dụng địa chất: Các hiện tượng địa chất như: động đất, trượt lở, cactơ, xĩi ngầm GV: Huỳnh Ngọc Hợi 5
6. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình - Địa chất thủy văn: Độ sâu mực nước ngầm (sự thay đổi mực nước ngầm theo mùa), thành phần hĩa học (mức độ ăn mịn bê tơng và các loại vật liệu xây dựng khác), tính chất và quy luật vận động, sự phân bố của nước dưới đất Điều kiện vật liệu xây dựng tình hình phân bố các loại vật liệu, loại vật liệu, phương pháp khai thác và vận chuển các loại vật liệu 5.3. Địa chất cơng trình cĩ những nhiệm vụ chính sau: - Xác định các điều kiện địa chất cơng trình: lựa chọn vị trí bố trí cơng trình thích hợp, kiến nghị các biện pháp cơng trình. - Nêu điều kiện thi cơng, dự đốn các hiện tượng địa chất xảy ra trong khi thi cơng và sử dụng cơng trình. - Đề ra các biện pháp phịng ngừa và cải tạo các điều kiện bất lợi - Cung cấp khả năng cung cấp vật liệu thiên nhiên cho cơng trình. 5.4. Phương pháp nghiên cứu Địa chất cơng trình: - Các phương pháp địa chất học - Các phương pháp tính tốn lý thuyết - Các phương pháp thí nghiệm mơ hình và tương tự địa chất - Các phương pháp mơ hình hĩa bằng các chương trình College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 6
7. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG I: KHỐNG VÀ CÁC KHỐNG TẠO ĐÁ §1. VỎ TRÁI ĐẤT VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG DIỄN RA TRONG ĐĨ Trái đất khơng phải là một khối cầu cứng yên tĩnh mà khơng ngừng hoạt động tiến hố. Sự hoạt động của nĩ do các chuyển động trong nội bộ của Trái đất, do chịu ảnh hưởng của các tác nhân từ trong vũ trụ gần nhất, mạnh nhất là từ hệ mặt trời gây nên và được phản ánh trên Trái đất với các đặc điểm về hình thái học, về cấu trúc, về sự phân bố các đặc tính hình thái, cấu trúc và các tính chất vật lý, hố học của Trái đất. 1.1. Hình dạng, kích thước, hình thái bề mặt của Trái đất: 1.1.1. Hình dạng trái đất: Niu-tơn đã chứng minh rằng dưới tác dụng của lực hấp dẫn, Trái đất bị ép theo phương trục quay và cĩ dạng của elipxoit. Quan sát của vệ tinh nhân tạo cho thấy Trái đất cĩ dạng hình quả lê. So với dạng elipxoit lý tưởng thì cực Bắc nhơ ra 10m, cực Nam lõm vào 30m. địa hình bề mặt Trái đất lồi lõm chênh nhau rất lớn 1.1.2. Kích thước Trái đất: Như trên đã nĩi, bán kính của Trái đất khơng đều nhau. Bán kính ở xích đạo a lớn hơn ở cực là 21.384m. Ngồi ra người ta cũng nhận thấy các bán kính ở mặt phẳng xích đạo cũng cĩ sự chênh nhau. Dưới đây là bảng các thơng số về kích thước của Trái đất (theo IUGG,1975). Bán kính xích đạo (a): 6378, 140 km Chu vi xích đạo : 40075, 24 km Bán kính ở cực (b): 6356,77km Chu vi kinh tuyến 40008,08 km Bán kính bình quân (a2b)1/3: 6371, 01 km Diện tích trên mặt: 5, 1007 x 10km Thể tích (V): 1,0832 x 1012 km2 Trọng khối (M):95,942+0,0006)x1024kg College 1.1.3. Hình thái bề mặt Trái đất: Hình thái bề mặt Trái đất gồm phần nổi trên mặt nước lục địa, chiếm 29,2% diện tích bề mặt Trái đất và phần chìm dưới nước biển chiếm 70,8%, tỷ lệ hai phần khoảng 1:2,5. Bề mặt của Trái đất khơng bằng phẳng. đỉnh cao nhất trên lục địa là Chomulagma cao 8848,13 mét. địa hình đồi núi, bình nguyên, bồn trũng (thấp hơn mực nước biển 1000m) chiếm 20,8% diện tích bề mặt Trái đất. độ cao trung bình của lục địa là 875 mét. ở biểnCPD bồn trũng sâu dưới - 4000 đến 6000 mét cĩ diện tích rất rộng chiếm 30,8%. độ sâu trung bình của biển là - 3729 mét. Hố sâu nhất là Mariana, sâu - 11033 mét. 1.2. Cấu tạo bên trong và đặc điểm vật chất tạo thành vỏ Trái đất: 1.2.1. Cấu tạo vịng: Các kết quả đo đạc vật lý cho thấy Trái đất cĩ tính phân thành các quyển (vịng) nghĩa là cĩ sự khơng đồng nhất về thành phần vật chất theo chiều thẳng đứng. Dựa theo kết quả nghiên cứu phối hợp các phương pháp địa - vật lý, đặc biệt là phương pháp địa chấn đo tốc độ truyền sĩng dọc Vp và tốc độ truyền sĩng ngang Vs khi đi quan vật chất bên trong Trái đất người ta chia Trái đất ra 3 vịng cấu tạo lớn là vỏ Trái đất, Manti và nhân Trái đất. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 7
8. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình a. Vỏ trái đất: Vỏ Trái đất là phần vật chất rắn bọc ngồi của Trái đất nằm trên mặt Mơhơ. Vỏ Trái đất là đối tượng nghiên cứu chính của địa chất học. Trong phần vỏ Trái đất tốc độ truyền sĩng Vp thay đổi từ 6,5-7,0 đến 7,4 km/s, nhưng khi sang phần Manti thì Vp tăng đột ngột đến 7,9 - 8, cĩ 8,2 -8,3km/s. Cịn tốc độ Vs trong phần vỏ là 3,7-3,8km/s đến manti thì đột ngột tăng lên 4,5 - 4,7 km/s. Như vậy cĩ một mặt ranh giới phân chia vỏ và manti thể hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ sĩng. Mặt ranh giới này gọi là mặt Mohorovixic (lấy tên nhà địa - vật lý người Nam Tư. Mặt này do ơng phát hiện năm 1909), cịn gọi là mặt Mơhơ hay mặt M. Vỏ Trái đất dày mỏng tuỳ nơi (tức mặt Mơhơ cĩ dạng lượn sĩng nâng cao hơn hoặc hạ thấp xuống, bình quân là 11-12km. ở đáy các đại dương vỏ dày 5-10 (12) km, trong các miền đồng bằng là 30 - 40 km, ở vùng núi cao là 50 - 75 km (dày nhất là ở núi Anđơ và Hymalaya). Thành phần hợp chất hĩa học chủCollege yếu: các hợp chất silicat trong đá granit, bazan. Vỏ Trái đât được chia làm 3 lớp: - Trên cùng là lớp trầm tích hiện đại cĩ bề dày thay đổi từ 0,0 đến 1,5 km - Tiếp theo là lớp đá granittoit - Cuối cùng là lớp bazan cịn gọi là vỏ bazan, cấu tạo bởi các đá mafic như gabro và bazan. b. Manti (mantle): Được phânCPD bố từ phần dưới vỏ Trái đất (Mặt M) 60 đến độ sâu 2900km. Tại đây lại cĩ một mặt ranh giới phân chia manti với nhân Trái đất biểu hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ truyền sĩng địa chấn. Vp từ 13,64 km/s xuống 7,98 km/s, cịn Vs nguyên là 7,23 km/s đột nhiên biến mất. Thành phần hợp chất hĩa học chủ yếu: các hợp chất silicat với thành phần chủ yêu là sunfur. c. Nhân Trái đất: Tính từ độ sâu 2900 km đến tâm Trái đất (6370), chia làm 3 lớp: nhân ngồi từ độ sâu 2900 km đến 4980 km, lĩp chuyển tiếp 4980 km đến 5120 km và nhân trong từ 51200 km đến 6370 km. Cĩ nhiệt độ rất cao 40000C, áp suất > 1,5 triệu atm. Thành phần hợp chất hĩa học chủ yếu: là các hợp chất sunfur sắt, niken. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 8
9. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 1.2.2. Cấu tạo của Trái đất: Vỏ cĩ bề dày khơng đồng đều, thể hiện ở địa hình phức tạp từ lục địa đến đại dương. Trạng thái vật chất của vỏ Trái đất: gồm các đá và đất ở thể đặc, chiếm 1,55% tổng thể tích và khoảng 0,8% tổng lượng của Trái đất. Tỷ trọng trung bình là 2,6 - 2,9 g/cm3. Bề dày của vỏ khơng đều. Thành phần của vỏ cũng biến đổi. Căn cứ các tài liệu địa - vật lý chia ra 2 kiểu vỏ chính là vỏ lục địa, vỏ đại dương và 2 kiểu phụ là vỏ á lục địa và vỏ á đại dương. Kiểu vỏ lục địa (continental crrust) cĩ bề dày khơng đều - Ở vùng nền (vùng ổn định) cĩ bề dày 35- 40 km - Vùng cơng trình tạo núi trẻ cĩ bề dày 55-70km - Vùng núi Hymalaya, Anđơ cĩ bề dày 70-75Km Cấu trúc cĩ 2 phần chính: + Lớp 1 là lớp do đá trầm tích (lớp trầm tích) tạo thành. Vp trung bình từ 3 - 5 km/s. Bề dày dao động từ 0-5 km (ở đồng bằng lục địa) và dày nhất từ 8-10km (ở các vùng trũng lớn của lục địa) + Lớp 2 là lớp đá cứng gồm đá macma và đá biến chất chia ra: Lớp 2a: Lớp granitơ - gnai hoặc granit biến chất phân bố ở các khiên biến chất, Vp trung bình từ 5,5 - 6 km/s. College Lớp 2b: Lớp bazan cịn cĩ tên gọi là Granulit - bazit vì tốc độ Vp của 2 loại đá tương tự nhau. Ranh giới giữa lớp 2a và 2b gọi là mặt Konrad (mặt K), Vp trung bình là 6,6 - 7,2km/s. Bề dày của lớp bazan trung bình là 6,6 - 7,2 km/s. Bề dày của lớp bazan trung bình 15 - 20 km ở vùng nền và 25 - 35 km ở vùng tạo núi. Mặt Konrad khơng phải lúc nào cũng thể hiện rõ. Mơ hình mới về vỏ lục địa do N.I.Pavlenkova nêu ra dựa theo kết quả nghiên cứu ở lổ khoan siêu sâuCPD Kolxki và các thơng tin địa vật lý. Phân chia manti với phần đá của vỏ lục địa (mặt M) dựa vào Vp = 7,8 - 8,3 km/s. Trong phần 2 (xem hình 4.2) chia 3 tầng ngăn cách bởi ranh giới K1 và K2.K1 ở độ sâu 30-32km. Tầng trên: Vp = 5,9-6,3 km/s cĩ tính phân lớp và tính phân dị theo các bloc riêng với các thành phần và thơng số địa - vật lý riêng. Tầng trung gian: Vp = 6,4 - 6,5 km/s. đặc tính phân lớp nằm gần nằm ngang mĩng. Trong đĩ cĩ những xen lớp và tốc độ Vp giảm xuống cịn 6km/s, cĩ các thể dị thường về tỷ trọng và đới tăng cao tính dẫn điện. Nĩ mang đặc tính của một lớp mềm, vật chất trên nĩ cĩ thể chuyển dịch ngang. Tầng trên và tầng trung gian cĩ các đá phức tạp, cĩ thể bao gồm đá biến chất, nĩi chung là đá axit. Tầng dưới: Vp = 6,8-7,0km/s gồm các đá biến chất tướng granulit, các đá bazic và siêu bazic. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 9
10. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Kiểu vỏ đại dương: Cấu trúc vỏ đại dương gồm 4 lớp 1- Lớp nước che phủ đại dương 2- Lớp thứ nhất là lớp trầm tích bở rời. Vp = 3 km/s. Dày từ vài trăm mét đến 1 km, ít khi dày hơn. 3- Lớp thứ hai cĩ Vp = 4 - 4,5 km/s. Thành phần là dung nham bazan cĩ xen lớp đá silic và cacbonat dày từ 1-15 km cĩ nới dày 3 km. 4- Lớp thứ ba cĩ Vp = 6,3-6,4km/s (cĩ khi đến 7 km/s). Thành phần là đá bazic (gabro) và một bộ phận là đá siêu bazic (pyroxenit). Một số nơi grabo bị biến chất thành amphibolit chưa khoan quan hết lớp này. Đặc trưng của kiểu vỏ đại dương là khơng cĩ lớp granitognai. Bề dày chỉ từ 5- 12km, trung bình là 6-7 km (ở đáy Thái Bình Dương). Kiểu vỏ á lục địa: Loại này gặp ở những cung đảo (Alent, Kuril ) bao quanh lục địa. Cấu trúc gần với kiểu vỏ lục địa nhưng bề dày nhỏ, chỉ 20-30km và cĩ đặc điểm là các lớp cứng hố khơng rõ ràng. ở vùng dâng bao quanh đại Tây Dương phần kéo dài cử lục địa xuống dưới nước thì bề dày rút ngắn và lớp granitognai cũng vát nhọn khi đi về phía sườn lục địa. Kiểu vỏ sa đại Dương: Cấu trúc gồm ba lớp: 1. Lớp nước. 2. Lớp đá trầm tích dày từ 4 - 10 km cĩ nới 15 - 20 km 3. Lớp vỏ đại Dương dày từ 5 - 10km Vp = 6 - 6,4km/s, cĩ đặc trưng: + Khơng cĩ lớp granitognai: gặp ở những trũng nước sâu bao quanh và ở trong biển (ví dụ trũng nam Caspi, Biển đen, địa Trung Hải, Okhốt và các biển khác). 1.2.3. Thành phần vật chất của vỏ Trái đất: a. Các nguyên tố trong vỏ Trái đất: Trong Trái đất các nguyên tố tồn tại dưới dạng phân tán khơng đồng đều, luơn luơn kết hợp, luơn luơn biến đổi trong các khống vật, các đá khác nhau. Để nắm được số lượng các nguyCollegeên tố trong Trái đất người ta tiến hành lấy mẫu từ trên mặt cho đến độ sâu từ 16 đến 20 km và đem phân tích. + Các nguyên tố của vỏ Trái đất chủ yếu là 8 nguyên tố: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, Mg, K, trong đĩ O, Si, Al là chủ đạo (người ta nĩi thành phần vỏ Trái đất chủ yếu là các Alumoslicat) chiếm hơn 80% trọng lượng vỏ, O chiếm gần 50%. * Cịn lại là Ti: 0,52; C = 0,46; Mn: 0,12; S: 0,11 và các nguyên tố khác: 0,37%. + Thành phần trên cũng gần với thành phần của sao Kim, sao Hoả. + So với thCPDành phần nguyên tố của Trái đất thì O vẫn là chủ đạo tiếp theo là Fe, Si, Mg, cịn ở vỏ thì nhĩm Al, Ca, Mg, Na lại tượng đối nhiều. + Các nguyên tố kim loại cĩ ích (Cu, Bb, zn ) chiếm tỷ lệ rất thấp (ví dụ theo thống kê của các tác giả trên Cu cĩ từ 0,0047 - 0,01%; Pb từ 0,00016 - 0,0002%; C từ 0,023 - 0,35%. Bảng hàm lượng các nguyên tố chủ yếu tạo nên quả đất Các Theo Clac Fesman Goldsmith Vinogradov Ronov và nguyên tố Wnshing 1933, 1939 1937 1962 larosevxk tơn 1924 i O 49.52 49.13 46.60 47.00 46.50 Si 25.75 26.00 27.72 29.50 25.70 Al 7.15 7.45 8.13 8.05 7. 6 GV: Huỳnh Ngọc Hợi 10
11. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Fe 4.70 4.20 5.00 4.65 6. Ca 3.39 3.25 3.63 2.96 5.2 Na 2.64 2.40 2.83 2.50 1.7 Mg 1.94 2.35 2.09 1.87 3.8 K 2.43 2.35 2.59 2.50 1.2 3 Thành phần các ơ xyt chủ yếu của vỏ Trái đất - % trọng lượng Các oxyt SiO2 Al2O3 CaO FeO Fe2O3 MgO Na2O K2O TiO2 Ở vỏ lục địa 60,2 15,2 5,5 3,8 2,5 3,1 3,0 2,9 0,6 Ở vỏ đại Dương 48,8 17,0 11,9 6,6 2,0 7,0 2,7 0,2 1,4 Bình quân ở vỏ Trái đất 60,3 16,3 5,3 4,2 2,5 3,2 3,7 2,3 0,8 §2. KHỐNG VẬT VÀ CÁC KHỐNG VẬT TẠO ĐÁ 2.1. Khống vật: Khống vật là những nguyên tố hố học tự nhiên hoặc hợp chất hố học trong thiên nhiên hình thành do quá trình vật lý, hố học nhất định trong vỏ Trái đất hoặc trên mặt đất. (Một số rất ít cĩ thể từ vũ trụ đến: bụi vũ trụ, thiên thạch). Đến nay biết được hơn 2500 khống vật trong đĩ gần 50 khống vật là phổ biến tham gia vào quá trình tạo đá. Khống vật là thành phần cơ bản tạo nên đá. Đại đa số khống vật ở thể rắn, như: thạch anh, canxit chỉ một số ở thể lỏng như: thuỷ ngân, dầu mỏ, nước và một số ở thể khí như cacbonic, mêtan, các loại cacbuahyđrơ College CPD Một loạt các khống vật. Hình ảnh lấy từ Cục Địa chất Hoa Kỳ 2.2. Về hình thái và cấu trúc: Khống vật cĩ các dạng vơ định hình; dạng keo (dạng khối đặc xít) và dạng kết tinh (tinh thể) . Khống vật vơ định hình là khống vật ở thể thuỷ tinh, các phân tử vật chất chưa kịp sắp xếp theo một trật tự cĩ tính quy luật tuần hồn trong khơng gian. Ví dụ khi macma đơng nguội đột ngột tạo ra các khống vật vơ định hình. Khống vật dạng keo là khống vật ở trạng thái keo hoặc từ chất keo kết tinh lại. Chất keo gồm những hạt keo, cĩ kích thước từ 1 - 100m( = 1 x 10-6 mm) hịa lại trong nước. Chúng hoặc là do các phản ứng hố học đối với các chất trong mơi trường hồ tan thành chất keo hoặc do sinh vật làm hồ tan các chất trong mơi trường nước. Dung dịch keo thường gặp trong thiên nhiên là keo sắt, keo caoli, keo silic, keo bùn thối, keo nhơm GV: Huỳnh Ngọc Hợi 11
12. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Khống vật kết tinh là khống vật hình thành do sự kết tinh các nguyên tố hố học thành những tinh thể và gắn kết lại với nhau, (tinh thể là vật thể do các phân tử như iơn, nguyên tử, phân tử phân bố một cách cĩ quy luật tuần hồn trong khơng gian). Nét đặc trưng của tinh thể là cĩ cấu trúc mạng. Cấu trúc này cĩ được là do hạt và vạt chất sắp xếp cĩ quy luật trong khơng gian theo các nút mạng để tạo thành ơ mạng trong khơng gian. Mỗi tinh thể cĩ một ơ mạng riêng. Ví dụ ơ mạng tinh thể của hạt halit (muối mỏ NaCl) cĩ dạng lập phương. Trong đa số các loại tinh thể khoảng cách giữa các hạt (nút mạng) là 1 vài Ao (1A0 = 10-8cm) và cĩ độ 10-7 hạt trên 1 mm khơng gian. Tại trung tâm nghiên cứu vật liệu của trường Mỏ Paris bới kính hiển vi điện tử loại mới nhất của Hà Lan cĩ thể nhìn thấy một vật kích thước nhỏ đến 2A0 (gần bằng kích thước một nguyên tử). Mơn tinh thể học chuyên nghiên cứu về tinh thể (nghiên cứu quy luật sinh thành của tinh thể, tính đối xứng và cấu trúc bên trong của tinh thể, các tính chất vật lý cũng như các hiện tượng xảy ra trong tinh thể, mối liên quan giữa cấu trúc với các tính chất vật lý, hố học và hình học của tinh thể). Trong thiên nhiên, các khống vật kết tinh ở thể rắn chiếm đại đa sơ. Hiểu biết các tính chất tinh thể cũng là các nhận biết các khống vật, các đá từ đĩ cĩ sử dụng hợp lý. 2.3. Nguồn gốc của khống vật: được sinh thành trong điều kiện: a. Khống vật nội sinh: hình thành cĩ liên quan với các quá trình xảy ra ở trong vỏ Trái đất và ở phần trên manti - quá trình macma và biến chất. b. Khống vật ngoại sinh: hình thành ở phần trên mặt Trái đất và ở trên của vỏ cĩ liên quan với các quá trình địa chất ngoại sinh. 2.4. Tính chất hình học của khống vật: - Khống vật vơ định hình khơng kết tinh thường cĩ dạng cầu, dạng đậu, dạng thận, dạng chuơng vú (do chúng khơng kết tinh). - Khống vật kết tinh thể hiện ở hình dạng tinh thể, mặt tinh thể, ở sự kết hợp của nhiều tinh thể (như tinh đám thạch anh).College 2.5. Các tính chất vật lý của khống vật: đĩ là các tính chất về quang học, lực học, từ tính, tính điện áp do cấu trúc tinh thể quết định. a. Tính chất quang học: của khống vật thể hiện ở tính hấp thụ quang, phản quang, thấu quang của khống vật. * Độ trong suốt: phản ánh sự xuyên thấu của ánh sáng quan khống vật. Phân ra: trong suốt, nửa trong suốt và khơng trong suốt. * Ánh: tínhCPD phản xạ, khúc xạ, hấp thụ quang đối với ánh sáng thấy được của khống vật. Phân ra: ánh thuỷ tinh, ánh xạ cừ (ánh mờ) ánh lửa kim loại, ánh kim loại. * Màu sắc: thể hiện sự hấp thụ các bước sĩng đối với ánh sáng thấy được của khống vật. Nếu khống vật hấp thụ đều đặn đối với các bước sĩng ánh sáng thì nĩ cĩ từ màu đen đến màu xám. Nếu chỉ hấp thụ một số bước sĩng nào đáy tức là khống vật cĩ các màu khác nhau. Khống vật chứa nhiều Fe, Mg thường cĩ màu sẫm, cịn khống vật chứa nhiều Al, Si thì màu nhạt. * Màu vết vạch: Màu của bột khống vật để lại trên một vết vạch (vạch vào tấm sứ). Màu vết vạch của khống vật kim loại khơng trong suốt thường là cố định, là màu của bản thân khống vật. Ví dụ: pyrit cĩ màu vàng rơm nhưng màu vết vạch lại đen. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 12
13. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình b. Tính chất cơ học của khống vật: bao gồm tính cắt khai, mặt vỡ độ cứng phản ánh đặc tính của khống vật sau khi bị ngoại lực rắn tác dụng. Nĩ cĩ liên quan đến cấu trúc tinh thể khống vật. * Tính dễ tách (cát khai) của khống vật: Tính dễ tách là khả năng của tinh thể và các hạt kết tinh (mảnh của tinh thể) dễ bị tách ra theo những mặt phẳng song song. Chia tính dễ tách ra các mức độ khác nhau: - Rất hồn tồn: tinh thể cĩ khả năng tách theo các mặt tách một cách dễ dàng, (như mêca). - Hồn tồn: dùng búa đập nhẹ sẽ vỡ theo các mặt tách tương đối phẳng (như calcite, halit). - Khơng hồn tồn: khĩ thấy mặt tách mà thường là vết vỡ khơng cĩ quy tắc, (như thạch anh), vì vậy cịn gọi là tính khơng tách của khống vật. Tính cắt khai là sự vỡ tách theo một mặt tinh thể nào đấy khi bị ngoại lực tác dụng. Mặt bĩng nhẵn là mặt cắt khai, thường thường là song song với một mặt tinh thể. Mặt vỡ là mặt hình thành do bị ngoại lực tác dụng thành lồi lõm, khơng phẳng. Nếu lực nối của ơ mạng khơng đều nhau theo các hướng thì dễ thành vết vỡ. Ví dụ vết vỡ vỏ chai. * Độ cứng: là năng lực chống lại lực cơ học bên ngồi của khống vật (khắc, rạch lên bề mặt). Nĩi chung khống vật cĩ bán kính điện tử càng nhỏ thì độ cứng càng lớn. Phân ra độ cứng tuyệt đối và độ cứng tương đối. Đo độ cứng tuyệt đối cần phải dùng máy đo. Thường là dùng bảng độ cứng tương đối (bảng Mohs) với 10 bậc, mỗi bậc dùng một khống vật thường gặp làm vật chuẩn. Bảng Mohs gồm cĩ: (Độ cứng lớn nhất là 10, nhỏ nhất là 1). 1. Talc, (Tan) (Mg3(Si4O10) 2. Gypsum (Thạch cao), (CaSO42H2O) 3. Calcite (Canxit), (CaCO3) 4. Fluorite, (Fluorit) (CaF2) 5. Apatite, (Apatit) (CaCollege5(PO4)3(FCl) 6. Feldspar, (Octoclaz) (K(AlSi3O8) 7. Quartz (Thạch anh), (SiO2) 8. Topaz, (Topa) (Al2(SiO4)(OH)2 9. Corunduomn (Corindon), (Al2O3) 10. Diamond (Kim cương). (C) c. Một số đặc tính vật lý khác: Các khống vật cĩ tỷ trọng nặng nhẹ khác nhau. Một số cĩ từ tínhCPD (như manhetit), cĩ tính điện áp (đối với một số thạch anh) cĩ loại cĩ tính phát sáng Những loại này cĩ thể dùng mắt thường xác định được. Tan. Kim cương thơ. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 13
14. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Hali. Thạch anh. 2.6. Thành phần hĩa học: Các khống vật cĩ thể phân loại theo thành phần hĩa học. Chúng hay được phân loại theo nhĩm anion. Theo thành phần hĩa học, các khống vật tồn tại dưới các dạng sau: Các nguyên tố Các sulfua Các ơxít và hyđroxit Các halua Các nitrat, cacbonat và borat Các sulfat, cromat, molybdat và tungstat Các photphat, asenat và vanadat Các silicat 2.7. Phân loại khống vật: Phân theo thành phần hĩa học gồm 8 nhĩm: - Nhĩm các nguyên tố tự nhiên: chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất: Vàng, bạc, kim cương, graphit, lưu huỳnh - Nhĩm Sunfur chiếm 0,15% trọng lượng vỏ trái đất: Chancopirit (CuFeS2), pirit (FeS2), galinit (PbS2) Dễ bị phá hủy Collegethơng qua phản ứng oxy hĩa cĩ nước để trở thành khống vật khác. - Nhĩm Haloit chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất: Muối mỏ (NaCl), fluorit (CaF2) dễ phá hủy trong thiên nhiên. - Nhĩm Oxit chiếm 17% trọng lượng vỏ trái đất được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ khơng chứa nước như: corindon (Al2O3), thạch anh (SiO2), hematit (Fe2O3), rutin (TiO2) và lớp phụ chứa nước như: limonit (Fe2O3.nH2O), opan (SiO.nH2O). CPD - Nhĩm cacbonat: chiếm 1,7% trọng lượng vỏ trái đất khơng bền vững trong thiên nhiên, dễ bị hịa tan, được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ khơng chứa nước như: canxit (CaCO3), azurit (CuCO3) và lớp phụ chứa nước như: malachit (CuCO3.nH2O) - Nhĩm sunfat chiếm 17% trọng lượng vỏ trái đất, khơng bền vững trong thiên nhiên, được chia thành 2 lớp phụ: Lớp phụ khơng chứa nước như: barit (BaSO4), anhydrit (CaSO4) và lớp phụ chứa nước như: thạch cao (CaSO4.nH2O) - Nhĩm phốt phát chiếm 0,1% trọng lượng vỏ trái đất, khơng bền vững trong thiên nhiên: apatit (Ca5(ClF) [PO4]3 - Nhĩm silicat chiếm 75% trọng lượng vỏ trái đất cĩ vai trị tạo đá chủ yếu, dễ bị phá hủy trong thiên nhiên thơng qua phản ứng thủy phân tạo nên khống vật mới bền vững, được chia thành 2 lớp phụ: GV: Huỳnh Ngọc Hợi 14
15. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Lớp phụ khơng chứa nước như: biotit (K[MgFe](Si3AlO10)(OHF)2, caolin và lớp phụ chứa nước như: tan (3Mg4SiO2.nH2O) 2.8. Phân biệt khống vật và đá: Một khống vật là chất rắn kết tinh nguồn gốc tự nhiên với thành phần hĩa học xác định, trong khi đá là tổ hợp của một hay nhiều khống vật. Trong đá cĩ thể cĩ cả các phần cịn lại của các chất hữu cơ cũng như các dạng á khống vật. Một số loại đá chủ yếu bao gồm chỉ một loại khống vật. Ví dụ, đá vơi là một dạng đá trầm tích bao gồm gần như tồn bộ là khống vật canxit. Các loại đá khác cĩ thể bao gồm nhiều khống vật và các loại khống vật cụ thể trong một loại đá nào đĩ cĩ thể khác nhau rất nhiều. Một số khống vật, như thạch anh, mica hay fenspat là phổ biến, trong khi các khống vật khác cĩ khi chỉ tìm thấy ở một vài khu vực nhất định. Phần lớn các loại đá của lớp vỏ Trái Đất được tạo ra từ thạch anh, fenspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, epidot, olivin, ogit, hocblen, manhêtit, hematit, limonit và một vài khống vật khác. Trên một nửa các loại khống vật đã biết là hiếm đến mức chúng chỉ cĩ thể tìm thấy ở dạng một nhúm mẫu vật, và nhiều trong số đĩ chỉ được biết tới từ 1 hay 2 hạt nhỏ. Các loại khống vật và đá cĩ giá trị thương mại được gọi chung là các khống sản. Các loại đá mà từ đĩ các khống vật được khai thác cho mục đích kinh tế được coi là các loại quặng, trong khi các loại đá và khống vật cịn lại sau khi đã tách rời khống vật mong muốn riêng ra từ quặng, được gọi là đá thải và quặng đuơi. 2.9. Các khống vật tạo đá: Khống vật tạo đá, cĩ khoảng 50 khống vật thường gặp tham gia thành tạo đá như thạch anh, fenfat, mica, pyroxen. Yếu tố xác định chủ yếu trong sự hình thành các khống vật trong khối đá là thành phần hĩa học của khối đá đĩ, đối với một khống vật cụ thể nào đĩ thì nĩ chỉ cĩ thể hình thành khi các nguyên tố cần thiết phải cĩ mặt trong đá. Canxit là phổ biến nhất trong các loại đá vơi, do chúng chủ yếu bao gồm cacbonat canxi; thạch anh trong các loại sa thạch (đá cát) và trong một số loại đá phún xuất với tỷ lệ phần trăm lớn là silica (điơxít silic). College Các yếu tố khác cũng cĩ tầm quan trọng tương đương trong việc quyết định các khống vật tạo đá được hình thành ngay từ đầu một cách tự nhiên hay do phát sinh thứ cấp là (i) cách thức đá được hình thành từ trong dung dịch, nước hay đá gốc và (ii) các giai đoạn mà đá đã trải qua để cĩ được các kết cấu như hiện tại của mình. Hai khối đá cĩ thể cĩ thành phần hĩa học khá tương đồng nhưng lại được cấu thành từ các kết hợp khác hẳn nhau của các khống vật. Xu hướng chung cho các hợp chất này được hình thành là sự ổn định theo cácCPD điều kiện mà khối đá được sinh ra. Granit được hình thành do sự đơng đặc của macma nĩng chảy ở nhiệt độ cao và áp suất lớn và các khống vật thành phần của nĩ cũng được hình thành trong các điều kiện như vậy. Khi bị sự ẩm ướt, axít cacbonic và các tác nhân cận khơng khí khác tác động ở điều kiện nhiệt độ bình thường trên bề mặt Trái Đất, một số khống vật nguyên thủy này, như thạch anh hay mica trắng (muscovit) khơng bị biến đổi; trong khi các khống vật khác bị "phong hĩa" hay phân rã và bị thay thế bằng các tổ hợp mới. Fenspat chuyển hĩa thành cao lanh, muscovit và thạch anh, và nếu mica đen (biotit) cũng cĩ mặt thì nĩ sinh ra cả clorit, apidot, rutil và các khống vật hay các hợp chất khác. Các thay đổi này cịn kèm theo sự phân hủy và đá chuyển thành dạng khối đất rời rạc, mềm xốp cĩ thể được coi như là đất hay cát. Các vật liệu được hình thành như vậy cĩ thể bị rửa trơi và trầm lắng hình thành nên sa thạch hay đá mạt. Cấu trúc của đá nguyên thủy bị thay thế bằng cấu trúc mới; thành phần khống vật cũng biến đổi rõ nét; nhưng thành phần hĩa học của cả khối cĩ thể khơng cĩ khác biệt lớn. Đá trầm tích cĩ thể một lần nữa lại trải qua những lần biến thái khác. Nếu đá GV: Huỳnh Ngọc Hợi 15
16. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình phún xuất thâm nhập vào thì nĩ lại cĩ thể tái kết tinh hoặc nếu bị đè nén dưới áp suất cao cùng nhiệt và chuyển động, chẳng hạn như cĩ mặt trong kiến tạo các nếp oằn các dãy núi, thì nĩ cĩ thể chuyển hĩa thành gơnai mặc dù khơng khác biệt gì nhiều trong thành phần khống vật nhưng cĩ khác biệt đáng kể về cấu trúc với granit là trạng thái ban đầu của nĩ.  Một số khống vật tạo đá chủ yếu: - Lớp silicat: chiếm 75% trọng lượng vỏ trái đất, cĩ màu sặc sỡ, sáng và cĩ độ cứng lớn: Nhĩm feldspas, Nhĩm mica, Nhĩm piroxen, Nhĩm anfibon, Nhĩm olivin, Nhĩm talc, Nhĩm clorit, Nhĩm khống vật sét - Lớp oxit: Opan, Thạch anh, Limonit - Lớp cacbonat: Calcite, Dolomit - Lớp halogenua Tinh thể khống vật thạch anh Chert Opan College Kaolinit Hydromica Canxit lấp đầy các khe nứt CPD Plagioclase (anbit) Peldspar dưới kính hiển vi Tinh thể can xít Trong đá bazan  Các khống vật tạo Đá mácma chủ yếu: thạch anh, felspat, mica và khống vật mầu. * Thạch anh là SiO2 ở dạng kết tinh, tinh thể hình lăng trụ 6 cạnh, ít khi trong suốt mà thường cĩ màu trắng và trắng sữa, độ cứng 7, khối lượng riêng 2,65 g/cm3, cường độ cao khoảng 20.000 kg/cm2, chống mài mịn tốt, ổn định đối với axit (trừ axit GV: Huỳnh Ngọc Hợi 16
17. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình fluohidric và fosforic). Ở nhiệt độ thường, thạch anh khơng tác dụng với vơi, nhưng ở trong mơi trường hơi nước bão hồ và nhiệt độ 175 - 2000C cĩ thể sinh ra phản ứng silicat. * Fenspat: cĩ hai loại - Cát khai thẳng gĩc-octola (K2O.Al2O3.6SiO2 - felspat kali) - Cát xiên gĩc - plagiocla (Na2O.Al2O3.6SiO2-felspat natri và CaO.Al2O3.2SiO2 - felspat canxi). - Tính chất cơ bản của felspat: màu biến đổi từ trắng, trắng xám, vàng đến hồng và đỏ; khối lượng riêng: 2,55 - 2,76 g/cm3, độ cứng 6 - 6,5, cường độ chịu nén 1200 - 1700 kg/cm2. Khả năng chống phong hố của felspat kém, kém ổn định đối với nước và đặc biệt là nước cĩ chứa CO2: + K2O.Al2O3.6SiO2 + CO2 +2H2O = K2CO3 + 4SiO2 + Al2O3.2SiO2.2H2O + Al2O3.2SiO2.2H2O là caolonit - thành phần chủ yếu của đất sét. * Mica: là những alumơsilicat ngậm nước rất phức tạp. Phổ biến nhất là hai loại biotit và muscovit. Biotit thường chứa oxyt manhê và oxyt sắt. Cĩ màu nâu đen (mica đen). Muscovit K2O. Al2O3.6SiO2 .2H2O thì trong suốt (mica trắng). Mica cĩ độ cứng 2-3, khối lượng riêng 2,76 - 3,2 g/cm3. Ngồi hai loại trên cịn gặp vecmiculit được tạo thành do sự oxy hố và hydrat hố biotit. Khi nung ở 900 – 10.000 độ C nước sẽ mất đi, thể tích vecmiculit tăng 18 - 25 lần. Khống vật màu sẫm chủ yếu gồm cĩ amfibơn, piroxen, olivin. Các khống vật này cĩ màu xẫm (từ màu lục đến màu đen) cường độ cao, dai và bền, khĩ gia cơng.  Các khống vật tạo đá chủ yếu của loại đá trầm tích núi lửa: * Nhĩm oxyt silic: Các khống phổ biến nhất của nhĩm này là opan, chanxedon và thạch anh trầm tích. - Opan (SiO2.2H3O) là khống vơ định hình, chứa 2- 14% nước (đơi khi đến 34%). Khi nung nĩng, một phần nướcCollege bị mất đi. Opan thường khơng màu hoặc màu trắng sữa, nhưng nếu lẫn tạp chất cĩ thể cĩ màu vàng xanh hoặc đen, cĩ khối lượng riêng 1,9 ÷ 2,5 g/cm3, độ cứng 5 ÷, giịn. - Chalxedon (SiO2) là họ hàng của thạch anh, cấu tạo ẩn tinh dạng sợi. Màu trắng, xám, vàng sáng, tro, xanh; khối lượng riêng 2,6 g/cm3, độ cứng 6. Chalxedon được tạo thành từ sự tái kết tinh opan hoặc lắng đọng trực tiếp từ dung dịch cùng với opan và thạch anh. Thạch anhCPD trầm tích được lắng đọng trực tiếp từ dung dịch và cũng cĩ thể do tái kết tinh từ opan và chalxendon. Trong các loại đá trầm tích tồn tại cả thạch anh mácma và thạch anh trầm tích. * Nhĩm cacbonat: Các khống vật của nhĩm cacbonat rất phổ biến trong các loại đá trầm tích. Quan trọng nhất là các khống vật canxi, đơlơmit và manhezit. - Canxi (CaCO3) là khống khơng màu hoặc màu trắng, khi cĩ lẫn tạp chất thì cĩ màu xám vàng, hồng hoặc xanh, khối lượng riêng 2,7 g/cm3, độ cứng 3, cường độ trung bình; dễ tan trong nước và tan mạnh trong nước cĩ chưa CO2; sủi bọt mạnh trong axit clohydric nồng độ 10%. - Đơlơmit [CaMg(CO3)2 ] là khống vật cĩ màu hoặc trắng, khối lượng riêng 2,8g/cm3, độ cứng 3-4, cường độ lớn hơn canxit. Khi ở dạng bột và bị nung nĩng cũng sủi bọt trong dung dịch axit clohydric nồng độ 10%. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 17
18. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Đơlơmit được dùng làm nguyên liệu để sản xuất chất kết dính manhezi và đơlơmi; làm vật liệu chịu lửa đơlơmi, cũng như các loại cây đá xây, đá dăm cho bê tơng. - Manzehit: (MgCO3) là khống khơng màu hoặc màu trắng, xám, vàng hoặc nâu; khối lượng riêng 3,0 g/cm3, độ cứng 3,5 - 4,5, cĩ cường độ khá cao. Khi nung nĩng thì tan trong được HCl. Manhezit nung ở nhiệt độ 1500 - 16500 C sẽ cho loại vật liệu chịu nhiệt cao, cịn khi nung ở nhiệt độ 750 - 8000C sẽ cho MgO. Khi nhào trộn manhezit với dungdịch clorua hoặc sunfat axit manhê sẽ nhận được chất kết dính manhê. Nhĩm các khống vật sét. Các khống vật sét đĩng vai trị rất quan trọng trong đá trầm tích, chúng là thành phần chính của đất sét và tạp chất trong nhiều loại đá khác. Alumosilicat ngậm nước là các khống vật của nhĩm này. Các khống phổ biến nhất là kaolimit, montmorilơnit và mica ngậm nước. - Caolinit: Al4 [Si4O10] (OH)8 hay Al2O3.2SiO2.2H2O, là khống màu trắng, đơi khi cĩ màu xám hoặc màu xanh; khối lượng riêng 2,6g/cm3, độ cứng 1. Caolinit được hình thành do kết quả phân huỷ fensat, mica và một số loại silicat khác. Caolinit là thành phần chủ yếu của cao lanh và các loại đát sét đa khống. - Mica ngậm nước được hình thành do sự phân huỷ mica và một số silicat. Mơntmơrilơnit là khống sét được tạo thành trong mơi trường kiềm, tại các vùng biển hoặc trên các lớp đất đá bị phong hố. Nĩ là thành phần chính của đất bentonit và đơi khi là chất xi măng gắn kết trong sa thạch. Các khống của nhĩm mơntmơrilơnit thường thấy trong các loại đá trầm tích. Các tạp chất sét làm cho độ bền nước của đá vơi và sa thạch giảm đi. * Nhĩm sunfat: Phổ biến nhất trong nhĩm này là thạch cao và anhydrit. - Thạch cao: (CaSO4.2H2O) là khống màu trắng hoặc khơng màu, đơi khi lẫn tạp chất thì cĩ màu xanh, vàng hoặc màu đỏ; tinh thể dạng bản, đơi khi dạng sợi, độ cứng 2, khối lượng riêng 2,3 g/cm3, dễ hồ tan trong nước (độ hồ tan lớn hơn canxit 75 lần). Thạch cao được tạo thành do trầm tíchCollege hố học, do thuỷ hố anhyđrit và do nước chứa H2SO4 tác dụng với đá vơi. - Anhydrit (CaSO4) là loại khống trần tích hố học, kết tinh dạng tấm dày hoặc lăng trụ, màu trắng, đơi khi cĩ màu xanh da trời; độ cứng 3 - 3,5, khối lượng riêng 3g/cm3. Anhydrit thường gặp trong các tầng đá hoặc các mảnh nhỏ cùng với thạch cao và muối mỏ. Khi tác dụng với nước ở áp lực thấp anhydrit chuyển thành thạch cao và tăng thế tích 30%. CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 18
19. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG II: THẠCH HỌC Đá là sản phẩn của tác dụng địa chất, là tập hợp cĩ quy luật của một hoặc nhiều loại khống vật hoặc các vụn đá kết lại với nhau tạo thành một thể địa chất độc lập và là bộ phận chủ yếu cấu tạo nên vỏ trái đất. Đá thơng thường là cứng như đá vơi, đát cát kết nhưng cũng cĩ thể mềm dẻo như đá sét, đá do một kim loại khống vật tạo thành như đá hoa (do canxit tập hợp thành), do nhiều khống vật kết hợp phức tạp, ví dụ như granit (gồm thạch anh, penpat, mica). Quặng (ore) gồm một hay nhiều thành phần cĩ giá trị được tập trung cao ở đá, được khai thác để sử dụng trong cơng nghiệp (quặng vàng, sắt, than, apatit ) Đá vây quanh (countryrock) là phần đá khơng phải là quặng bao chứa quặng. Khi khoa học kỹ thuật phát triển cĩ thể biến đá vây quanh thành quặng. Vì vậy cĩ hiện tượng khai thác lại bãi thải để lấy lại quặng. Loại đá Khống vật Magma Olivin, pyroxen, amphibol, mica, feldspar, feldspathoid, thạch anh, sphen, zircon, zeolit Biến chất Sillimanit, disten, staurolit, andalusit, topaz, diaspor, cordierit, chlorit, chloritoid, tourmalin, anthophilit, talc, fosterit, phlogopit, tremolit, garnet, zoizit, epidot, Trầm tích Calcit, chalcedony, dolomit, glauconit §1. ĐÁ MACMA: (Magmatic rocks) 1.1. Khái niệm: Đá macma được tạo thành do sự đơng cứng của những khối hợp chất silicat nĩng chảy ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong vỏ hoặc trên bề mặt Trái đất. Những khối silicat nĩng chảy đĩ Collegeđược gọi là Macma. Trong macma ngồi SiO2 ra cịn một số nguyên tố khác và thành phần chất khí dễ bay hơi như các nguyên tố nhĩm hagogen và các khí CO2, S căn cứ mơi trường thành tạo để phân loại. 1.2. Phân loại đá macma: 1.2.1. Phân loại theo độ sâu tạo thành: - Đá xâm nhập (intrusive rock) gồm đá xâm nhập sâu (plutonic rock) do macma đơng nguội dưới CPDsâu so với bề mặt trái đất trên 1,5 km tạo nên và đá xâm nhập nơng (hypabyssal rock) do macma đơng nguội tạo nên (từ 0 – 1,5 km). Đá xâm nhập cĩ cấu trúc tinh thể lớn, đặc chắc, cường độ cao, ít hút nước. Đá xâm nhập chủ yếu sử dụng trong xây dựng là granit, điorit, gabro - Đá phun trào (extrusive rock) được thành tạo ở độ sâu dưới 1,5 km cho tới bề mặt Trái đất, do magma phun lên hoặc trào ra mặt đất qua các khe nứt, miệng núi lửa sau đĩ đơng nguội tạo thành. Do nguội nhanh trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, các khống vật khơng kịp kết tinh, hoặc chỉ là kết tinh một phần nên cĩ kích thước tinh thể bé, chưa hồn chỉnh, hoặc tồn tại ở dạng vơ định hình. Mặt khác, các chất khí và hơi nước khơng kịp thốt ra, để lại nhiều lỗ rỗng, làm cho đá nhẹ, cĩ loại nổi trên mặt nước. Macma nguội lạnh để lại trên mặt đất rất nhiều chủng loại đá. Đĩ là do quá trình diễn biến của nĩ khá phức tạp. Macma đơng nguội sẽ phân dị ra các vật chất khác nhau, mặt khác macma khi xuyên lên đá vây quanh lại cĩ tác dụng đồng hố các vật chất bên ngồi để tạo thành các đá mới. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 19
20. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 1.2.2. Phân loại theo thành phần hĩa học: Căn cứ vào hàm lượng oxyt silic, Đá macma cịn được chia ra các loại: - Macma axit (Si2O > 65%) như granit, liparit (riolit) - Macma trung tính (Si2O: 65 - 52%) như diorit, sienit, andezit. - Macma bazơ (mafic) (SiO2: 52 - 45%) như gabro, bazan. - Macma siêu bazơ (mafic) (SiO2 < 45%). Như periđơit, đunit Kết hợp với nghiên cứu mơi trường thành tạo kiến trúc cấu tạo của đá, thơng thường phân chia đá macma dựa vào hàm lượng % SiO2, Fe, Mg cĩ trong đá. 1.3. Macma trải qua một số tác dụng sau: 1.3.1. Tác dụng phân dị: Dung li của macma xuất hiện trước khi macma kết tinh đang cịn ở trạng thái lỏng nên cịn ở trạng thái lỏng nên cịn gọi là phân dị lỏng. Trong khi đơng nguội, do trọng lực, áp suất và nhiệt độ hạ thấp dần, từ macma sẽ phân ly ra 1 loại hay nhiều loại thành phần trên. Thực tế cho thấy macma Silicat cĩ Ca, Mg, khi ở nhiệt độ trên 15000C nĩ cĩ thể hồ tan từ 6% - 7% các muối sunfua. Khi nhiệt độ hạ thấp xuống dưới 15000C thì muối sunfua tách ra khỏi magma và lắng xuống đáy. Trong các đá siêu mafic hoặc ở đáy các đá khống sản cơng nghiệp. 1.3.2. Tác dụng phân dị kết tinh của macma: Khi nhiệt độ hạ thấp dần, các thành phần khống vật sẽ lần lượt kết tinh. Mỗi khống vật cĩ dung điểm kết tinh riêng. Tác dụng phân dị kết tinh là sự kết tinh theo trình tự lần lượt của khống vật tách ra khỏi macma khi nhiệt độ hạ dần. Trước tiên là phân dị kết tinh khống vật Silicat chứa nhiều Fe, Mg. Quan sát thấy được các khống vật sẫm màu sẽ kết tinh theo thứ tự lần lượt từ Olivin đến Pyroxen đến amphibol đến biotit. Các khống vật nhạt màu sẽ kết tinh theo thứ tự lần lượt anoctit (Pagioclaz Ca) đến andenzin (Plagis laz trung tính) đến anbit (Plag, Na) đến ĩctola (Fenpat Kali), Thạch anh. Sự phân dị kết tinh cũng như phân dị dung li đều chịu ảnh hưởng của tác động trọng lực. Vì vậy các khống vật thuộc nhĩm olivin cĩ tỷ trọng lớn sẽ lắng đọng ở đáy cịn các khống vật nhẹ như fenpat, thạch anh sẽ nổi ở trên, do đĩ hình thành các loại đá macma khác nhau. College Trong khi phân dị, sau khi các khống vật silicat kết tinh xong, một số thành phần chất bốc được tương đối tăng lên. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ thấp chúng hình thành magma tàn dự phân bố ở phần trên của magma hoặc ở 1 bộ phận nhất định. 1.3.3. Tác dụng phân dị khí thành: Trong macma tàn dư cĩ rất nhiều chất bốc với đặc trưng là điểm nĩng chảy thấp, thành phần bốc hơi nhiều, hoạt tính hố học mạnh do đĩ dễ cùng với các kim loại trong macma nhất là các nguyên tố kim loại hiếm hố hợp thành khốngCPD vật. Khi nhiệt độ và áp của macma hạ xuống, các khống vật này tách ra khỏi macma và đọng lại trong các khe nứt, các hốc trống của đá vây quanh. Quá trình này xảy ra sau quá trình phân dị macma nên được gọi là quá trình phân dị khí thành. Nĩ dễ tạo ra nhiều khống sản kim loại cĩ giá trị. 1.3.4. Tác dụng đồng hố hỗn nhiễm: Đá vây quanh với magma cĩ sự khác nhau nhiều về thành phần hố học và tính chất vật lý. Vì thế khi magma xâm nhập vào đá vây quanh sẽ xảy ra sự trao đổi giữa hai loại. Nhiệt độ, áp suất cũng như tính chất hố học của các thành phần magma sẽ làm cho phần tiếp xúc của đá vây quanh hồ tan, biến đổi, đưa thêm thành phần và macma. Quá trình đĩ chính là tác dụng đồng hố hỗn nhiễm. (assimilation - contamination). Mức độ đồng hố hỗn nhiễm càng mạnh khi nhiệt độ macma càng cao, quy mơ của thể macma càng lớn, sự khác biệt về thành phần vật chất của macma và đá vây quanh càng lớn và độ nứt nẻ của đá vây quanh càng nhiều. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 20
21. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 1.4. Các loại Đá macma trong xây dựng: 1.4.1. Đá macma xâm nhập: - Granit (đá hoa cương) là loại đá axit cĩ ở nhiều nơi, chủ yếu do thạch anh, fenspat và một ít mica, cĩ khi cịn tạo thành cả amfibon và piroxen. Granit cĩ màu tro nhạt, hồng nhạt hoặc vàng, phần lớn cĩ kết tinh hạt lớn. Granit rất đặc chắc, khối lượng thể tích 2600 - 2700 kg/m3, cường độ nén rất lớn (1200 - 2500kg/cm2), độ hút nước nhỏ (dưới 1%), khả năng chống phong hố rất cao, độ chịu lửa kém, cĩ một số loại cĩ màu sắc đẹp. Đá granit được sử dụng rộng rãi trong xây dựng (ốp mặt ngồi nhà và các cơng trình đặc biệt, nhà cơng cộng, làm nền mĩng cầu, cống, đập ) - Syenit là loại đá trung tính, thành phần khống vật chủ yếu là octola, plagiocla, axit, các khống vật mầu xẫm (amfibơn, pryroxen, biotit), một ít mica, rất ít thạch anh. Sienit màu tro hồng, cĩ cấu trúc tồn tinh đều đặn, khối lượng riêng 2,7 - 2,9 g/cm3, khối lượng thể tích 2400 - 2800 kg/m3, cường độ chịu nén 1500 - 2000kg/cm2. Sienit được ứng dụng khá rộng rãi trong xây dựng. - Diorit là loại đá trung tính, thành phần chủ yếu là plagiocla trung tính (chiếm khoảng ¾), hocblen, augit, biotit, amfibơn và một ít mica và pyroxen. Diorit thường cĩ màu xám, xám lục cĩ xen các vết xẫm và trắng; khối lượng thể tích 2900 - 3300 kg/m3, cường độ chịu nén 2000 - 3500kg/cm2. Diorit dai, chống va chạm tốt, chống phong hố cao, dễ đánh bĩng, nên được sử dụng để làm mặt đường, tấm ốp. - Gabro là loại đá bazơ, thành phần gồm cĩ plagiocla bazơ (khoảng 50%) và các khống vật màu xẫm như pyroxen, amfibon và olivin. Gabro cĩ màu tro xẫm hoặc từ lục thẫm đến đen, đẹp, cĩ thể mài nhẵn, khối lượng thể tích 2900 - 3300 kg/m3, cường độ chịu nén 2000 - 3500kg/cm2. Grabơ được sử dụng làm đá dăm, đá tấm để lát mặt đường và ốp trang trí các cơng trình kiến trúc. 1.4.2. Đá macma phun trào: - Diaba cĩ thành phần tương tự gabro, là loại đá trung tính, cĩ kết cấu hạt nhỏ, hạt vừa xen lẫn với kết cấu tồn tinh. Thành phần khống vật gồm cĩ fenspat, pyroxen, College 2 olivin, màu tro sẫm hoặc lục nhạt, cường độ nén 3000 - 4000 kg/cm . Đá điaba rất dai, khĩ mài mịn, được sử dụng chủ yếu làm đá rải đường và làm nguyên liệu đá đúc. - Bazan là loại đá bazơ, thành phần khống vật giống đá grabơ. Chúng cĩ cấu trúc ban tinh hoặc cấu trúc poocfica. Đá bazan là loại đá nặng nhất trong các loại Đá macma, khối lượng thể tích 2900 - 3500 kg/cm3, cường độ chịu nén 1000 - 5000kg/cm2 (cĩ loại cường độ đến 8000kg/cm2), rất cứng, giịn, khả năng chống phong hố cao, rất khĩ gia cơng. ĐáCPD bazan là loại đá phổ biến nhất trong xây dựng, được sử dụng để lát đường làm cốt liệu bê tơng, tấm ốp chống ăn mịn - Andesit là loại đá trung tính. Thành phần của nĩ gồm plagiocla trung tính, các khống vật sẫm mầu (ambrifon, pyroxen)và mica; cĩ cấu tạo ẩn tinh và cấu tạo dạng poocfia, cĩ màu tro vàng, hồng, lục. Đá andesit cĩ khả năng hút nước lớn, khối lượng thể tích 2200 ÷ 2700 kg/m3, cường độ chịu nén 1200 – 2400kg/cm2, chịu được axit nên được dùng để làm vật liệu chống axit. §2. ĐÁ TRẦM TÍCH: (sedimentary rocks) 2.1. Khái niệm: Đá trầm tích hình thành do các tác dụng ngoại lực, phong hĩa (phá hủy các đá cĩ trước (magma, trầm tích hoặc biến chất), hoạt động của núi lửa, do từ vũ trụ rơi xuống, kết quả các quá trình hĩa học, hoạt động của vi sinh vật ) bị lắng đọng tại chỗ hoặc bị di chuyển rồi lắng đọng lại liên kết vững chắc với nhau qua một GV: Huỳnh Ngọc Hợi 21
22. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình quá trình biến đổi lâu dài dưới nhiệt độ, áp suất khác nhau mà hình thành một loại đá gọi là đá trầm tích. Đá trầm tích được phân ra: đá vụn, đá vụn núi lửa, đá sét, đá hố học và đá sinh hố. - Các đá trầm tích chiếm 5 % khối lượng các đá trong vỏ Trái đất (đá magma chiếm độ 95%) song lộ ra 75% diện tích trên bề mặt Trái đất (tính đến độ sâu 6 km theo Rukhin) phần chủ yếu là ở biển. - Đặc trưng rất lớn của đá trầm tích là: + Tính phân lớp do chủ yếu là kết quả của sự phân dị (phân dị trọng lực) trong quá trình lắng đọng. Hình thành từng lớp phân biệt được bởi sự khác nhau về thành phần, độ hạt, màu sắc + Trên mặt lớp của đá trầm tích thường cĩ cấu tạo riêng như khe nứt khơ, vết sĩng vết sinh vật gọi là cấu tạo mặt lớp. + Trong đá trầm tích cĩ thể chứa di tích sinh vật hố đá. đĩ là cơ sở để xác định mối tương đối. Một số đá do khống vật tạo thành. + Kiến trúc hạt và xi măng gắn kết (đối với đá vụn) Hầu hết các cơng trình xây dựng đầu sử dụng đất đá trầm tích làm nền hoặc vật liệu xây dựng. 2.2. Đá trầm tích núi lửa: Ngồi các loại đá đặc chắc ở trên, trong Đá magma phún xuất cịn cĩ đá bọt, tup phún xuất, tro và tup dung nham. Các loại đá này bên cạnh việc hình thành do kết tinh nhanh như đá phún xuất cịn lắng đọng theo quy luật trầm tích. Nhiều tác giả Liên Xơ cũ xếp loại đá này sang đá trầm tích. - Tro núi lửa: thường ở dạng bột, giống nhau màu xám. Những hạt lớn gọi là cát núi lửa. Đá bọt, là loại thuỷ tinh núi lửa, rất rỗng (độ rỗng đến 80%) được tạo thành khi dung nham nguội lạnh nhanh trong khơng khí. Đá bọt cĩ kích thước 5 - 30mm, khối lượng thể tích 500 kg/m3, độ hút nước thấp vì các lỗ rỗng lớn và kín, hệ số truyền nhiệt nhỏ (0,12 - 0,2 kCal/m.0C.h, cường độCollege chịu nén 20 - 30kg/cm2. Cát núi lửa, đá bọt được dùng làm cốt liệu cho bê tơng nhẹ, cịn bột thì làm vật liệu cách nhiệt và bột mài. - Tup núi lửa: là loại đá rỗng, được tạo thành do quá trình tự lèn chặt tro núi lửa. Loại tup núi lửa chặt nhất gọi là tơrat. Tup núi lửa đá bọt cũng như tro núi lửa thường dùng làm phụ gia hoạt tính chịu nước cho chất kết dính vơ cơ. - Tup dung nham: do tro và cát núi lửa rơi vào trong dung nham nĩng chảy sinh ra. Nĩ là loại đá thuỷ tinh rỗng cĩ màu hồng, tím , khối lượng thể tích 750 ÷ 1400 kg/m3, cường độ chịu nén 60 - 100kg/cm2, hệ số dẫn nhiệt trung bình là 0,3 0 CPD kCal/m. C.h. Trong xây dựng, tup dung nham được xẻ thành bloc để xây tường, sản xuất đá dăm cho bê tơng nhẹ. 2.3. Phân loại và đặc tính của một số đá trầm tích: 2.3.1. Trầm tích vụn: - Cuội, sỏi (sỏi, sạn laterite) - Cát: Tầng cát chứa nước dới đất rất tốt, khi cĩ tải trọng cát bị nén chặt nhanh nhưng đơi lún khơng lớn. Nền cát khơng thích hợp với những cơng trình chịu tải trọng chấn động. - Đất cát pha: cĩ lượng hạt sét từ 2-10%, cĩ một ít tính dính, khi cát pha cĩ thành phần hạt bột trên 30% thì phát sinh hiện tượng bùn nhão khi gặp nước. - Đất sét pha: cĩ lượng hạt sét từ 10-30%, cĩ tính dẻo tương đối lớn, tính thấm nước nhỏ, thường làm vật liệu đắp, tính ép co so với cats tăng lên rõ rệt. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 22
23. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình - Đất sét: Cĩ tính dẻo, tính dính, trương nở và ép co lớn,độ lún nền phụ thuộc vào thời gian do trên bề mặt hạt sét cĩ hấp thụ một màng nước tương đối dày. Trong thực tế coi đất sét khơng thầm nước. - Đá cuội, đá dăm: là loại trầm tích vụn đã được gắn kết mà hàm lượng cỡ hạt đường kính lớn hơn 2 mm chiếm trên 50%. Loại trịn cạch là đá cuội, loại gĩc cạnh là đá dăm. - Đá cát (cát kết-sa thạch): là loại đá do cát gắn kết lại mà thành. - Bột kết: Tính giống như cát kết nhưng cường độ nhỏ hơn - Sét kết: là do đất sét thốt nước kết chặt sít lại và thường tạo thành các lớp mỏng. 2.3.2. Trầm tích sinh hĩa: - Đá vơi (CaCO3): Thành phần chủ yếu là calcite, dolomit và một số tạp chất như thạch anh, sét, pirit Đá vơi chứa dolomit (CaCO3.MgCO3) trên 50% thì gọi là đá dolomit. College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 23
24. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình College CPD §3. ĐÁ BIẾN CHẤT: (metamorphic rocks) 3.1. Khái niệm: Đá biến chất là do đá macma hay đá trầm tích dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp lực lớn hay do các phản ứng hĩa học với macma bị biến đổi mãnh liệt về thành phần và tính chất tạo thành. Đá biến chất do các đá trước (macma, trầm tích hoặc biến chất) trong điều kiện tác dụng mới của nhiệt độ, áp suất và tác dụng của các dung dịch hố học làm cho chúng thay đổi về thành phần, kiến trúc, cấu tạo để hình thành loại đá mới. Đá biến chất phân thành các loại đá chính: đá biến chất tiếp xúc, đá biến chất trao đổi (nhiệt dịch khí thành), biến chất động lực, biến chất khu vực (biến chất nhiệt động). Người ta cịn phân biệt: đá đơn khống là đá hình thành chỉ cĩ một khống vật, đá đa khống là đá hình thành với tập hợp nhiều loại khống vật. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 24
25. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 3.2. Những đặc trưng của đá biến chất: - Cấu tạo đặc trưng: Thớ phiến, dạng phiến (bị ép định hướng) cấu tạo khối giống đá macma, cấu tạo biến chất (hình thành trong quá trình biến chất), cấu tạo sĩt (giữ lại cấu tạo của đá nguyên thủy). - Kiến trúc đặc trưng: kiến trúc biến tinh (do khống vật tái kết tinh hình thành). Kiến trúc sĩt (giữ lại các kiến trúc nguyên thủy), kiến trúc cà nát (hạt cĩ thể vỡ đều hay khơng đều). 3.3. Phân loại và đặc tính một số đá biến chất chính: - Đá cĩ cấu tạo gneiss(gơnai): Loại đá này cĩ thể do đá macma hay trầm tích biến chất mà thành. Thường cĩ kết tinh hạt thơ, dùng làm nền cơng trình tương đối tốt. Thường gặp ở núi Vơi (Nam Định), cao nguyên Kon Tum, Đắc Lắc, Plâycu. - Đá cĩ cấu tạo phiến: + Philit: Là do đá sét biến chất tạo nên. Khống vật chủ yếu cĩ mi ca, clorit, thạch anh tinh thể rất nhỏ, khơng nhìn thấy bằng mắt thường. Cĩ màu vàng lục, màu đất nâu, đen xám. Cấu tạo dạng đặt sít. Mặt phiến thường cĩ dạng xà cừ do các dảy mica phủ lên. Thường thấy ở (Hồi Xuân - Thanh Hĩa, Tây Chang - Điện Biên). + Đá phiến: Philit biến chất cao hơn thì thành đá phiến. Phổ biến nhất là đá phiến mica. Đặc trưng của loại đá này là cĩ cấu tạo phiến, cường độ thấp dễ bị phân hĩa và trượt theo mặt phiến. thường gặp nhiều ở Sơng Thao (Phú Thọ), Tuần Giáo (Điện Biên), Sơng Mã, Sơng Hiếu, Hương Khê (Hà Tĩnh), Nam Trung Bộ. - Đá cĩ cấu tạo khối: + Quaczit: do đá cát kết thạch anhbieens chất tạo thành. Cấu tạo khố đặt sít. Khống vật phụ cĩ mica, manhentit, amfibom. Màu xám đến đen xám, loại đá rắn chắc, khĩ phân hĩa, nhưng việc khai thác và gia cơng khĩ, vì vậy ít được dùng làm vật liệu xây dựng. Thường ở Tuần Giáo (Điện Biên), Phangxipăng, Đơng Sơn (Thanh Hĩa), Kon Tum, Đà Lạt + Đá hoa: là do đá vơi tái kết tinh tạo nên. Chúng thường phân bố ở vùng tiếp giáp giữa đá vơi và đá granit. KhốngCollege vật chủ yếu cĩ canxit, đolomit, hạt thơ, hạt vừa và nhỏ. Đá hoa thuần khiết cĩ màu trắng, khi cĩ tạp chất thì cĩ nhiều màu: xám vàng, trắng xanh, được làm dùng vật liệu làm kiến trúc. Thường gặp ở Kẻ Sơn (Hà Nam), Tuần Giao (Điện Biên), Phanxipăng, Đơng Sơn (Thanh Hĩa), Plâycu. CPD 3.2.1. Các đá biến chất động lực: Yếu tố gây biến chất do động lực định hướng, gồm các đá như dăm kết kiến tạo, kataclazit (hạt dăm nhỏ từ 1 - 2mm) milonit (hạt nhỏ hơn 1 đến 2mm) blatonmilonit (khơng nhận ra khống vật nguyên thuỷ, dạng vảy) filonit (hạt rất mịn đơi khi vi uốn nếp). GV: Huỳnh Ngọc Hợi 25
26. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 3.2.2. Các đá biến chất nhiệt: Biến chất trong điều kiện nhiệt độ từ 500 đến 12000C với áp suất P = 3000 bar. Gồm các đá như đá phiến đốm, đá sừng, đá hoa, quaczit. đá sừng cũng cĩ thể từ đá macma bizic và trung tính biến thành. 3.2.3. Các đá biến chất trao đổi: Quá trình biến chất xảy ra thường là do sự trao đổi thành phần của macma granitoit và syenit với đá vây quanh. Thuộc loại này gồm các đá như đá xkacnơ, greizen, secpentinit. Căn cứ nhiệt độ người ta chia ra 3 giai đoạn biến chất trao đổi. Giai đoạn macma nhiệt độ lớn hơn 6000C, giai đoạn khí thành, nhiệt độ từ 600 đến 3750C và giai đoạn nhiệt dịch, nhiệt độ nhỏ hơn 3750C. 3.2.4. Các đá biến chất khu vực: (nhiệt động) được hình thành trong một khu vực rộng lớn dưới tác dụng của hoạt động macma, kiến tạo. Các đá gồm đá phiến (cĩ thể từ đá sét, đá macma bazic, trung tính, macnơ, siêu bazic, trầm tích boxit), đá phiến kết tinh (mức độ biến chất mạnh hơn cĩ định hướng rõ, tái kết tinh) đá gơnai (do biến chất khu vực mạnh, các khống vật chính là fenpat ít hơn 40% thạch anh cĩ từ 30 đến 40%, amphibolit (thành phần chủ yếu là hocblen, plagipocla), granulit (biến chất khu vực cao), eclogit (biến chất khu vực cao nhất, tạo thành từ pyroxen granat). Ngồi ra cịn cĩ đá hoa, đá quaczit. Tác dụng biến chất là tác dụng làm biến đổi về thành phần vật chất, kiến trúc, trong điều kiện nội sinh. Thơng thường là do sự nâng cao áp suất, nhiệt độ và tham gia thêm của các chất lỏng như nước, CO2, nhiệt dịch cĩ chứa các ion Na, K, Ca và cả F, B và S. Kết quả của quá trình phát biến là tạo ra các đá biến chất. Đá nguyên thuỷ của các đá biến chất cĩ thể là đá trầm tích, đá macma hoặc cả đá biến chất đã hình thành trước đĩ. Vì vậy đá biến chất được xem như là nhĩm đá thứ ba lớn cùng với nhĩm đá macma và nhĩm đá trầm tích. Thực chất của quá trình biến chất là sự hình thành các đá mới trong điều kiện cân bằng địa chất mới, khác với điều kiện tồn tại của đá chưa biến chất. Bằng thực nghiệm, người ta cũng ta cũng tạo ra những khống vật biến chất. Ví dụ một số khống vật sét trên mặt (biển sinh) trong điều kiện áp lực bình 0 College thường nếu nhiệt độ tăng lên 400 C thì cĩ thể biến thành mica. CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 26
27. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG 3: ĐỊA CHẤT KIẾN TRÚC §1. ĐẠI CƯƠNG VỀ TÁC DỤNG KIẾN TẠO CỦA VỎ TRÁI ĐẤT Những hoạt động lún chìm, nâng cao, dồn ép của vỏ Trái đất tạo ra những nếp uốn, đứt gãy, hình thành nên những cấu trúc của nĩ là những hoạt động kiến tạo. Dao động thẳng đứng hay chuyển động thăng trầm của vỏ Trái đất thường xảy ra trong một phạm vi rộng lớn làm thay đổi vị trí của lục địa hay đại dương. Khi mặt đất nâng lên, biển rút ra, lục địa được mở rộng gọi là biển lùi. Ngược lại, khi lục địa hạ thấp, nước biển tràn vào gọi là biển tiến. Chuyển động ngang hay chuyển động uốn nếp tạo núi và đứt gãy. Điều kiện cơ bản làm cho đá uốn nếp là tốc độ chuyển động phải nhỏ và lâu dài. Trường hợp lực kiến tạo gây ứng suất vượt quá độ bền của đá, tầng đá sẽ nứt nẻ, tạo thành khe nứt, đứt gãy. Dấu vết mực nước biển ở Hà Tiên College CPD §2. CÁC DẠNG BIẾN VỊ CỦA ĐẤT ĐÁ * Thế nằm ban đầu của các lớp đá trầm tích là nằm ngang. * Thế nằm nghiêng AB đường phương OC đường dốc OC' hướng dốc - gĩc dốc lớp đá * Xác định các yếu tố thế nằm của lớp đá thơng qua 3 hố khoan. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 27
28. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 2.1. Nếp uốn: làm tầng đá ban đầu nằm ngang bị uốn cong, nghiêng đảo đi nhưng khơng mất tính liên tục của nĩ. - Nếp uốn lồi: là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lồi lên phía trên. Vùng trung tâm của nếp uốn lồi đất đá cĩ tuổi già hơn đất đá xung quanh. - Nếp uốn lõm: là dạng uốn cong của các lớp đá, hướng bề lõm xuống phía dưới. Vùng trung tâm của nếp uốn lõm đất đá cĩ tuổi trẻ hơn đất đá xung quanh. 2.2. Biến dạng đứt gãy: làm cho tầng đá mất tính liên tục và hồn chỉnh. Ở mức độ biến vị thấp trong đá xuất hiện các khe nứt. Khi cường độ lực tác dụng lớn hơn thì xảy ra sự dịch chuyển các phần của tầng đá với nhau, tạo ra đứt gãy. - Đứt gãyCollege thuận (phay thuận): là những đứt gãy trong đĩ mặt đứt gãy dốc về phía đá tụt xuống. Khi đứt gãy là ranh giới của 2 lọai đất đá khác nhau, mặt đứt gãy hướng về phía đất đá cĩ tuổi trẻ hơn là đứt gãy thuận. - Đứt gãy nghịch (phay nghịch): là những đứt gãy trong đĩ mặt đứt gãy dốc về phía đá trồi lên. Khi đứt gãy là ranh giới của 2 lọai đất đá khác nhau, mặt đứt gãy hướng CPDvề phía đất đá cĩ tuổi già hơn là đứt gãy nghịch. - Đứt gãy ngang (phay ngang): là những đứt gãy mà các đất đá cĩ cùng chuyển dịch theo phương ngang. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 28
29. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Vết nứt đơng phi Sự dịch chuyển mảng College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 29
30. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG 4: ĐỊA CHẤT LỊCH SỬ §1. ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỊA CHẤT LỊCH SỬ Địa chất lịch sử là một mơn học nghiên cứu về hồn cảnh và thời gian hình thành, quá trình tồn tại và biến đổi của đất đá ở vỏ Trái đất. Địa chất lịch sử cĩ các nhiệm vụ: - Xác định trình tự thành tạo các đá theo thời gian (tuổi của đá) - Xác định hồn cảnh tự nhiên, nghiên cứu lịch sử các chuyển động kiến tạo, các cấu trúc, các quá trình của đá macma -Xác lập lại các giai đoạn phát triển của vỏ Trái đất, lịch sử và qui luật hình thành các dạng kiến trúc địa chất trên vỏ Trái đất Hình thái mặt đất ngày nay - địa hình - là sản phẩm của các quá trình địa chất lâu dài và phức tạp, cĩ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động xây dựng. Khoa học nghiên cứu địa hình cĩ xét đến nguyên nhân hình thành và xu thế phát triển địa hình gọi là Địa Mạo. §2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TUỔI ĐẤT ĐÁ Tuổi của đất đá là khoảng thời gian từ khi đất đá được hình thành cho đến nay. 2.1. Phương pháp xác định tuổi tuyệt đối (Phương pháp đồng vị phĩng xạ): Đối với các loại đá cổ, người ta sử dụng các nguyên tố bán hủy dài như nguyên tố Th, U, cịn đá trẻ là nguyên tố cĩ chu kỳ bán hủy ngắn như cacbon phĩng xạ (C14). Tốc độ của quá trình phá hủy phĩng xạ ở mỗi loại nguyên tố khơng thay đổi. Chu kỳ bán hủy của mỗi nguyên tố phĩng xạ là thời gian mà một khối lượng nào đĩ của chất phĩng xạ bị phá hủy đi một nửa để biến thành đồng vị bền vững. Trong đá macma thường chứa cả U và Th, đồng thời chì thường thấy cĩ nguyên tử lượng là 207,2 là hỗn hợp của hai đồng vị nên ta thường tính tuổi theo cơng thức sau: Pb206 Pb208 t Collegex7,4 x 109 U 0,38 Th Đối với những đá trẻ cĩ tuổi 50.000 năm hay trẻ hơn (trầm tích Đệ Tứ) thường sử dụng những nguyên tố cĩ chu kỳ bán hủy ngắn hơn, ví dụ nguyên tố C14. 2.2. Phương pháp xác định tuổi tương đối của đất đá: Là xác định thứ tự hình thành các lớp đá, tìm ra lớp đá thành tạo trước, lớp đá thành tạo sau. CPD *Phương pháp địa tầng: dựa trên quan hệ thế nằm của các tầng đá để xác định tuổi tương đối của chúng và các hiện tượng địa chất khác. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 30
31. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình *Phương pháp thạch học: xác lập một tầng đá chuẩn (cĩ những tính chất đặc biệt về thành phần, màu sắc, bề dày ) rồi so sánh với các tầng khác. So sánh và hợp nhất địa tầng các mặt cắt theo thành phần đá 5 4 5 1 4 3 3 College 2 2 1 Áp dụng phươngCPD pháp thạch học địa tầng để lập cột địa tầng trong vùng phát triển đá xâm nhập và đá trầm tích. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 31
32. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 2.3. Niên biểu địa chất: Theo niên biểu địa chất hiện tại thì lịch sử phát triển địa chất của vỏ Trái đất được chia ra là 5 Đại (Era). Trong mỗi đại lại chia ra các Kỷ (Period), trong kỷ chia ra nhiều Thế (Epoch). Các tập đá được thành tạo tương ứng với các đại, kỷ, thế, là các Giới, Hệ, Thống, được thể hiện theo bề dày của tập và đặc trưng về thạch học cùng các tính chất khác gọi là thang địa tầng. Trên bản đồ địa chất người ta thể hiện tuổi đất đá bằng màu và ký hiệu chữ Latinh. §3. SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VỎ TRÁI ĐẤT Theo Saurin, quá trình phun trào bazan bắt đầu từ cuối Plioxen vẫn tiếp diễn ở đầu kỷ Đệ Tứ. Hoạt động phun trào bazan phổ biến rộng rãi ở phía nam Đơng Dương. Ở Đơng Nam Bộ, nam Tây nguyên, đơngCollege Campuchia đá bazan phủ trên một diện tích rộng lớn. Hoạt động phun trào bazan kết thúc vào Pleixtocene hạ. Từ đầu Đệ Tứ, 2 vùng sụp võng hình thành ở châu thổ sơng Cửu Long - Đồng Nai ở miền Nam và sơng Hồng ở miền Bắc. Ở châu thổ sơng Cửu Long - Đồng Nai biên độ sụp võng dựa theo bề dày trầm tích Q ở gần sơng Sài Gịn khơng ít hơn 200m và cĩ thể đạt tới 400m. Ở sơng Hồng biên độ sụp lún đạt tới 200 - 300m. Trong thành phần trầm tích Q ở đây cĩ sự CPDxen kẽ giữa trầm tích lục địa và trầm tích biển. Trong Holocene trên lãnh thổ Đơng Dương vẫn tiếp tục mạnh mẽ hoạt động kiến tạo. Cĩ lẽ nhiều đứt gãy vẫn tiếp tục hoạt động. Bên cạnh đĩ là ảnh hưởng của hoạt động macma dưới sâu thể hiện ở sự hình thành nhiều suối nước nĩng ở rải rác nhiều địa phương khắp Đơng Dương. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 32
33. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình College §4. ĐẠI MẠO 4.1. Phân loại địa hình: Theo nguồn gốc địa hình cĩ thể chia ra địa hình kiến tạo, địa hình xâm thực bĩc mịn, địa hình bồi tụ, mà hình thái bên ngồi thường phản ánh trung thành cấu tạo bên trong và lịch sử tồnCPD tại của địa hình đĩ. 4.2. Các nhân tố hình thành địa hình: 4.2.1. Nhân tố kiến tạo: Hình thành do sự vận động kiến tạo (núi, đồi, đồng bằng ), phản ánh đầy đủ đặc điểm kiến trúc và cấu tạo địa chất dưới sâu. Hình dạng địa mạo cĩ liên quan chặt chẽ với các đứt gãy, các nếp uốn, thành phần và tính chất đất đá phân bố ở khu vực. Cao nhất hiện nay là đỉnh Chơmơlungma ở dải Hymalaya, tới 8882 m, các khu vực sụt xuống tạo nên các vùng biển, đại dương, nơi sâu nhất hiên nay là hố Marian ở Thái Bình Dương trên 11 km. Ở VIệt Nam hầu hết sơng ngịi đều bị chi phối bởi kiến tạo địa chất cĩ hướng tây bắc – đơng nam, hoặc đơng bắc tây nam. 4.2.2. Nhân tố đất đá: Tùy theo sực sắp xếp các tầng đá, tình hình xuất lộ, điều kiện khí hậu các đá gơnai, gơganit bị phân hủy dễ hơn do phân hĩa hĩa học kết hợp với phân hĩa vật lý, thường tạo nên các núi đỉnh trịn, sườn thoải. Cịn các đá pocfirit, riolit tương đối bền vững thì tạo nên các đỉnh núi hơi nhọn, sườn khá dốc. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 33
34. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Đá vơi dễ bị karst hĩa cho ta các địa hình karst rất đặc trưng: đá tai mèo, rừng đá, phễu karst, hang động, sơng ngầm Ở trên mặt, địa hình karst đá vơi cĩ hình thái lởm chởm, vách thành dựng đứng. 4.2.3 . Nhân tố khí hậu: Ảnh hưởng địa mạo hoặc trực tiếp – do những hiện tượng khí tượng thủy văn hoặc gián tiếp qua thực vật và thổ nhưỡng. Chế độ mưa theo mùa đã gây nên xâm thực cơ giới rất mạnh. Những trận mưa đầu mùa hạ rơi xuống mặt đất đá bị hung nĩng, nứt nẽ, làm phát sinh các khe rãnh xĩi, nhất là ở những nơi mất hết lớp phủ thực vật. Ở vùng khí hậu nĩng và ẩm, thực vật phát triển, phong phú hĩa học chiếm ưu thế, axít hữu cơ do rễ cây tiết ra đã làm tăng tác dụng hĩa học của nước mưa ngấm xuống đất. Lớp vỏ phong hĩa vì vậy khá sâu, cĩ nơi tới 70 ÷ 80 m, khĩ tìm được vết lộ đá gốc. núi đồi khi đĩ cĩ dạng đều đều mềm mại. Lớp phủ thực vật dày cĩ tác dụng ngăn cản xâm thực cơ giới của nhân tố khí hậu. Nĩ làm giảm sức va đập của hạt mưa, hãm bớt sức giĩ, giảm bốc hơi và chênh lệch nhiệt độ, nước chảy trên mặt khơng gây xĩi thành khe rãnh. Vì vậy lớp phủ thực vật dày mặt đất khĩ bị bĩc mịn, bảo vệ được hình thái bề mặt. 4.3. Địa mạo với các cơng trình xây dựng: Người ta khảo sát địa chất coi địa mạo là các tiền đề cơ bản phản ánh loại đất đá và cấu tạo địa chất dưới sâu Dưới gĩc độ xây dựng cơng trình, hình thái địa mạo được nghiên cứu trên hai mặt cơ bản: Nghiên cứu các quá trình biến đổi địa mạo thường là nguyên nhân gây tai họa cho các cơng trình xây dựng như trượt, lở, mương xĩi Nghiên cứu địa mạo để qui hoạch xây dựng và bố trí các cơng trình, sao cho an tồn, kinh tế. Khi xây dựng đập, thường chọn nơi cĩ lũng sâu, hẹp nhằm làm cho khối lượng cơng trình là nhỏ nhất. Cần cĩ vị trí bố trí các cơng trình kiến trúc khác như đập tràn, cống, nhà máy thủy điện, nên mặt cắt tuyến đập cần cĩ bề rộng thích hợp. Khi xây dựng kênh cần chú ý độCollege dốc, mức độ phân cắt của địa hình, vì nĩ quyết định khối lượng đào đắp, số cơng trình phụ, hình thức kênh. Địa hình phân cắt mạnh làm cho tuyến kênh, đường giao thơng phải kéo dài do lượn theo đường đồng mức địa hình hoặc phải bố trí các cơng trình vượt như cầu giao thơng, cầu máng, xiphơng, CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 34
35. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG 5: THÀNH PHẦN CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA ĐẤT ĐÁ §1. THÀNH PHẦN KẾT CẤU CỦA ĐẤT ĐÁ Đất đá được cấu tạo bởi 3 thành phần (3 pha): hạt rắn (pha rắn), dung dịch hoặc nước (pha lỏng) và các chất khí (pha khí). 1.1. Phần hạt rắn (pha rắn): Đối với đá cứng và nửa cứng - thành phần khống vật và tính chất các liên kết đĩng vai trị quan trọng trong việc xác định các tính chất cơ lý. Đối với đất - thành phần hạt, hình dạng, mức độ chặt sít, Các thành phần cấu trúc đất là các tinh thể riêng rẽ, các mảnh vụn đất đá tạo thành pha rắn và thể hiện thơng qua các đặc trưng kích thước, hình dạng, đặc điểm bề mặt hạt rắn và hàm lượng của chúng. Kích thước hạt (theo tiêu chuẩn) Thành phần hạt và phân loại đất (theo tiêu chuẩn) Thành phần hạt của đất là hàm lượng các nhĩm hạt cĩ độ lớn khác nhau ở trong đất, được biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm so với khối lượng của mẫu đất khơ tuyệt đối (sấy ở 105oC) đã lấy để phân tích. 100 0 10 90 20 80 Phần trăm cỡ hạtkính lớnđường hơn Phần trăm cỡ hạt đường nhỏ hơn kính 30 70 40 College 60 50 50 60 40 70 CPD 30 80 20 90 10 100 0 100 10 1 Đường kính cỡ hạt mm 0.1 0.01 0.001 HẠT CÁT HẠT BỤI HẠT TÊN CỠ ĐẤT HẠT SỎI SẠN Cát to Cát trung Cát nhỏ C.thật nhỏ Cát bụi Bụi to Bụi nhỏ sét MẪU SỐ Đường kính cỡ hạt (mm) > 10 10 - 5 5 - 2 2 - 1 1- 0.5 0.5-0.25 0.25-0.1 0.1-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 < 0.005 3.0 5.0 11.0 21.0 33.0 14.0 7.0 2.0 4.0 Thành phần cỡ hạt (%) 8.0 30.0 7.0 55.0 GV: Huỳnh Ngọc Hợi 35
36. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình d60 Hệ số khơng đồng nhất của mẫu là: Cu 2 d d 10 C 30 Hệ số cấp phối: g d d 10 60 Khi Cu 5 đất rất khơng đồng đều (cấp phối tốt). Đất cấp phối tốt cĩ Cg = 0,5 – 2,0. Tỷ diện tích là tỷ lệ diện tích mặt ngồi của vật liệu với khối lượng hoặc thể tích của vật liệu đĩ. S Tỷ diện tích:  s m Ví dụ: đất đỏ nâu trên bazan (Tây Nguyên) – 12,6 m2/100g; đất vàng đỏ trên granite – 9,44 m2/100g. Mẫu cát mịn lẫn bột cĩ hệ số rỗng e = 0,850. Mẫu cát thơ cĩ hệ số rỗng e = 0,650. Mẫu bùn sét cĩ hệ số rỗng e = 2,050. Hệ số thấm của mẫu đất nào lớn nhất, nhỏ nhất, tại sao? Giá trị  tăng theo mức độ phân tán, độ tăng các gĩc cạnh và độ nhám bề mặt. Giá trị  thay đổi trong phạm vi rộng: trong cát:  = 0,001  0,1 m2/g; trong cát pha và sét pha:  = 0,1  10 m2/g; trong sét:  = 10  100 m2/g; trong đất phân tán cao (sét nặng):  = 100  800 m2/g. 1.2. Nước trong lỗ rỗng của đất đá (pha lỏng): Dựa vào mối liên kết giữa nước với các hạt đất đá chia ra: - Nước trong khống vật của đất đá - Nước kết hợp mặt ngồi: được giữ lại trên bề mặt hạt sét do các tác dụng hĩa học, hĩa – lý và điện phân tử. College Sơ đồ biểu thị sự phân cực của nước Tùy theo mCPDức độ kết hợp mạnh yếu khác nhau, nước kết hợp mặt ngồi hạt đất chia ra nước hút bám và nước màng mỏng. 1.2.1. Nước hút bám: Tỷ trọng lớn hơn 1. Đối với đất cát là 0,5%, đối với đất sét pha là 5 - 7%và đối với đất sét là 10 - 20%. Khi đất sét chỉ cĩ nước hút bám thì đất ở trạng thái cứng. 1.2.2. Nước màng mỏng: Chia ra nước liên kết chặt và nước liên kết yếu. - Nước liên kết chặt bám tương đối chặt xung quanh hạt đất, độ ẩm tương ứng với bề dày lớn nhất của nước hút bám và nước liên kết chặt gọi là lượng chứa nước phân tử lớn nhất của đất. Khi trong đất chỉ cĩ nước liên kết chặt thì đất ở trạng thái nửa cứng. - Nước liên kết yếu là phần bao ngồi của nước màng mỏng. Khi trong đất cĩ chứa loại nước này thì đất ở trạng thái dẻo. Sự cĩ mặt của nước kết hợp làm cho đất cĩ tính dẻo; nĩ cịn cĩ tác dụng bịt kín các lỗ hổng giữa các hạt đất làm cho tính thấm giảm đi hoặc thậm chí khơng thấm. - Nước tự do là nước nằm ngồi ảnh hưởng của lực hút về phía hạt gồm: GV: Huỳnh Ngọc Hợi 36
37. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình + Nước mao dẫn tồn tại trong lỗ rỗng, khe nứt nhỏ của đất đá (bề rộng<2mm) dưới ảnh hưởng của lực mao dẫn. C Chiều cao mao dẫn: h k ed Ở đây: e – hệ số rỗng của đất 10 d10 – đường kính hữu hiệu Hệ số C = 10  40: biến đổi tùy theo thành phần và hình dạng hạt. + Nước trọng lực: Nước trọng lực cĩ khả năng dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực hay do sự chênh lệch áp lực. 1.3. Khí trong lỗ rỗng của đất đá (Pha khí): Khí trong đất cĩ thể ở trạng thái tự do, hút bám hoặc bọc kín hay hịa tan. Khí bọc kín và khí hịa tan làm tăng tính đàn hồi, kéo dài quá trình cố kết, làm giảm khả năng thấm của đất. College §2. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CPD 2.1. Khối lượng thể tích của đất đá tự nhiên: là khối lượng của một đơn vị thể 3 3 tích đất ký hiệu γtn , đơn vị: (T/m , g/cm ). γtn = Qtn / Vtn Trong đĩ: Qtn : Trọng lượng đất đá tự nhiên Vtn: Thể tích đất đá ở điều kiện tự nhiên. 3 3 Dung trọng bão hồ γbh (T/m , G/m ) là dung trọng tự nhiên lớn nhất của đất đĩ được xác định theo cơng thức: γbh = γh(1-n)+γnn 2.2. Khối lượng thể tích đất khơ: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khơ 3 3 hồn tồn ký hiệu γk, đơn vị: (T/m , g/cm ). γk = Qh / Vtn GV: Huỳnh Ngọc Hợi 37
38. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Trong đĩ: Qh: Trọng lượng hạt đất đá. 2.3. Khối lượng riêng của hạt: là khối lượng của một đơn vị thể tích chỉ riêng 3 3 phần hạt rắn ký hiệu γh , đơn vị: (T/m , g/cm ). γ h = Qh / Vh Trong đĩ: Qh : Trọng lượng hạt đất đá Vh: Thể tích hạt đất đá. 2.4. Khối lượng thể tích đẩy nổi: là khối lượng của một đơn vị thể tích đất khi 3 3 cân trong nước ký hiệu γh, đơn vị: (T/m , g/cm ).  k 1  dn Trong đĩ: ∆ : Tỷ trọng của đất đá là tỷ số giữa dung trọng hạt đất đá và dung trọng nước tinh khiết ở 4oC  Q h h n Vh  n Dung trọng đẩy nổi cũng bằng dung trọng bão hồ (γbh) trừ đi dung trọng nước tự 3 nhiên (γn≈1T/m ) γdn= γbh- γn = γbh - 1 2.5. Độ ẩm: là tỷ số giữa khối lượng nước và khối lượng đất khơ (khối lượng phần cốt đất), ký hiệu W, đơn vị tính % Q W n 100% Q h 2.6. Độ bão hịa: là tỷ số giữa thể tích nước trong lỗ rỗng so với thể tích tồn bộ lỗ rỗng, ký hiệu là Sr, đơn vị tính là %. V V Độ rỗng n và hệ số rỗng e: n % r 100% ; e r V V Colleges 2.7. Các cơng thức liên hệ:  tn - Khối lượng thể tích đất khơ:  k 1 W  - Hệ số rỗng: e h 1  k e n 100% - Độ rỗng: CPD1 e - Các giới hạn Atterberg: Đặc điểm quan trọng của trạng thái vật lý của đất loại sét là độ sệt. - Giới hạn nhão (W ) của đất loại sét được xác định (theo TCVN) bằng hai ch phương pháp: Casagrande hoặc Vaxiliev. - Giới hạn dẻo (Wd) Khoảng độ ẩm mà trong phạm vi giới hạn của chúng đất loại sét ở trạng thái dẻo được gọi là chỉ số dẻo A = (W - W ). ch d - Độ sệt: WW B d A GV: Huỳnh Ngọc Hợi 38
39. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình §3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC Tính chất cơ học của đất đá bao gồm: Tính biến dạng: Dưới tác dụng của lực, đất đá cĩ thể bị biến dạng. Tính bền (Cắt và nén là 2 hình thức chủ yếu làm mất độ bền của đất đá) 3.1. Ứng suất và biến dạng của đất đá: Khi cĩ tác dụng của ngoại lực thì bên trong khối đá xuất hiện các lực chống lại – nội lực, hình thành ứng suất trong đất đá. Lực tác dụng vào vật liệu và làm thay đổi kích thước của vật liệu gọi là áp lực. Ứng suất - là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích. Biến dạng - tỷ số biến đổi về chiều dài, chiều rộng hay chiều cao. Ứng suất và ứng suất hữu hiệu: tải trọng Q tác dụng phân bố đều lên một tiết diện A của mẫu đất. Tải trọng thực sự tác dụng lên phần hạt rắn của mẫu đất là Q’. Theo thực nghiệm người ta vẽ được đồ thị ứng suất – biến dạng. Q h Ứng suất tổng:  ;  100% A h o College CPD Trong đĩ: h: biến dạng dọc trục; ho:chiều cao ban đầu của mẫu (thường mẫu hình lăng trụ cĩ chiều cao ho=2d); d : đường kính mẫu; A : tiết diện ngang của mẫu ứng với tải trọng ngồi Q. Qcr  Cường độ sức chịu nén: q u Modun biến dạng: E A  Q' Ứng suất hữu hiệu:  ' A Q = Q’ + uAr Q Q' A Q' A u r u 1 c A A A A A Ở đây Ac diện tích tiếp xúc giữa các hạt rắn và tải trọng. Do diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt rắn và tải trọng rất bé, do đĩ tỷ số Ar/A 1. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 39
40. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Như vậy:  = ’ + u Ac Cĩ 3 loại ứng suất: kéo (tensional), nén (compressional) và cắt (shear). A P A1 cos Ứng suất  (ứng lực trên một đơn vị diện tích) trên một tiết diện được phân ra ứng suất pháp  và ứng suất tiếp . n Theo phương pháp tuyến (Pp) và tiếp tuyến (Pt) của tiết diện P này được tính theo: P p P Pp = P.cos ; Pt = P.sin t Khi đĩ ứng suất pháp  và ứng suất tiếp  sẽ bằng: P p 1 ; pmax 1 n  1(1 cos2 ) A1 2 Pt 1   sin 2 1 1 ;  max A1 2 2 Áp suất và nhiệt độ cao cùng cho phép biến dạng kết tinh và nội kết tinh thơng qua cơ chế dẻo nhớt. Khi đĩ biến dạng địa Collegechất là do sự uốn nếp chứ khơng phải do đứt gãy. Nguồn gốc ứng suất trong lịng đất: Trong đá trầm tích nằm ngang ứng suất thẳng đứng được lấy bằng trọng lượng của từng lớp riêng nằm trên: v = (t11 + t22 + + tnn) Ứng suất “lịch sử” do xĩi mịn Ảnh hưởng của địa hình Ứng suất kiếnCPD tạo 3.2. Mơđun biến dạng: Biến dạng thường được định nghĩa như là tỷ số khơng thứ nguyên của biến thiên chiều dài L đối với chiều dài ban đầu: L dL  L L Theo Robert Hooke, đối với nhiều vật liệu biến dạng nhỏ, biến dạng cĩ thể phục hồi và tỷ lệ tuyến tính với ứng suất. Định luật Hooke:  = E. Module biến dạng tổng quát Eo bằng tỷ số giữa ứng suất với biến dạng tổng quát eo (gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dư), tức là Eo=/ eo. Đặc trưng thứ hai cho tính đàn hồi của đá là hệ số nở hơng ,  = x/z.  cịn gọi là hệ số Poisson, trị số  của đá cứng và nửa cứng từ 0,10 đến 0,40. 3.3. Một số tính chất cơ học của đất: 3.3.1. Biến dạng của đất: GV: Huỳnh Ngọc Hợi 40
41. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 2.00 1.80 1.60 1.40 e rỗng số Hệ 1.20 1.00 0.80 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 Áp lực nén P (kG/cm2) Tính ép co dưới tác dụng của tải trọng là đặt trưng quan trọng nhất về tính biến dạng của đất mềm rời. Thể tích các lỗ rỗng trong đất bị giảm nhỏ do các hạt khống vật dịch chuyể tương đối với nhau, do biến dạng của chính hạt cũng như của nước và khí chứa trong lỗ rỗng. Đất bão hồ nước thì được nén chặt do nước thốt ra khỏi lỗ rỗng, do vậy độ ẩm của đất sẽ giảm dần. Cịn đất khơng bão hồ nước thì đến một áp lực nhất định, quá trình nén chặt cĩ thể xảy ra mà khơng làm thay đổi độ ẩm của nĩ. Hệ số rỗng của đất tương ứng với trị số cấp tải trọng nào đĩ: ei = eo – ( h/ho).(1+eo) Trong đĩ: h: Trị số biến đổi của chều cao mẫu khi chịu tải trọng ho: Chiều cao ban đầu của mẫu ei, eo : Hệ số rỗng trước và sau khi nén. 3.3.2. Cường độ chống nén và kéo của đất đá: - Cường độ chống nén của đất đá thường được xác định bằng cách nén đến phá hoại một mẫu trong điều kiện nở hơng tự do. P  nh n F 2 Trong đĩ: Pnh: lực nén hỏng mẫuCollege (kg); F: Diện tích tiết diện mẫu (cm ) Thực tế trạng thái ứng suất khi nén là khơng đồng nhất, vì thế σn chỉ cho phép đánh giá gần đúng khả năng ổn định của nền. Cường độ chống nén của đất đá phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đĩ cĩ ba nhân tố cơ bản sau: thành phần khống vật và thành phần hố học, kiến trúc và cấu tạo của đất đá, điều kiện tiến hành thí nghiệm. - Cường độ chống kéo của đất đá được xác định trong điều kiện kéo một trục theo cơng thức: CPD P  nh k F Cường độ chống kéo là chỉ tiêu cần thiết khi xác định độ ddoocs cho phép của mái đá, tính tốn biến dạng hướng tâm và ứng suất cho phép trong đường hầm áp lực, khi thiết kế đập bê tơng Việc xác định cường độ kéo của đất đá cịn nhiều vấn đề vì ảnh hưởng của khe nứt và sự phân bố ứng suất khơng đều trong mẫu thí nghiệm. 3.3.3. Cường độ chống cắt (chống trượt) của đất đá: Dưới tác dụng của ngoại lực, trong một bộ phận nào đĩ của đất đá, liên kết giữa các hạt bị phá hủy và xảy ra trượt (chuyển dịch) của phần này với phần khác, ví dụ như trượt mái dốc, trồi đất dưới mĩng cơng trình. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 41
42. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình  T  Cắt 3 - 4 mẫu đất với giá trị ứng suất pháp  khác nhau. - Cho máy cắt với tốc độ 1-3 mm/min đến khi nào mẫu bị phá hoại; ghi lại giá trị () ứng với lúc đồng hồ đo ứng lực ngang đạt giá trị max. Khi cắt, độ bền khơng nên đặc trưng bằng các thơng số ứng suất tới hạn ( hay ) vì chúng luơn thay đổi. Mối liên Như vậy, và C là các thơng số độ bền của đất khi cắt và được dùng để tính tốn sức chịu và ổn định trượt của đất đá, tính áp lực đất đá lên cơng trình chắn, cơng trình ngầm. Hệ giữa ứng suất tiếp giới hạn và ứng suất pháp  = f() được mơ tả bằng phương trình đường thẳng:  =  tg + C Quan hệ giữa cường độ chống cắt và áp lực pháp tuyến cĩ thể xem như quan hệ đường thẳng và biểu diễn bằng phương trình Coulomb:  =  tg + C College Trong đĩ:  : cường độ chống trượt tới hạn (kg/ cm2)  : ứng suất pháp (kg/ cm2) tg : hệ số ma sát trong đất đá : gĩc ma sát trong của đất đá C: lực dính của đất đá (kg/ cm2) CPD 3.4. Xác định chỉ tiêu tính chất cơ lý tổng hợp (trị tiêu chuẩn) và trị tính tốn của đất: 3.4.1. Phân loại chỉ tiêu trong đơn nguyên địa chất cơng trình: Đất đá trong tự nhiên thường ít đồng nhất và liên tục trong phạm vi đáng kể. Do đĩ, để đảm bảo mức độ chính xác và độ tin cậy của các chỉ tiêu cần cĩ một số lượng thí nghiệm nhất định. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 42
43. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Khi tính tốn nền theo trạng thái giới hạn II (giới hạn biến dạng) dùng chỉ tiêu tiêu chuẩn để đánh giá nền và kiểm tra biến dạng; cần dùng chỉ tiêu tính tốn để kiểm tra cường độ (trạng thái giới hạn I). Hai điều kiện cần thiết khi xác định chỉ tiêu tổng hợp: a. Đất đá cĩ tính đồng nhất ở mọi điểm khảo sát như thành phần khống vật, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái vật lý, b. Tính chất của đất đá khơng phụ thuộc vào vị trí điểm kháo sát, lớp đất đá khơng cĩ tính dị hướng. Như vậy, trước khi tìm chỉ tiêu tổng hợp phải tiến hành phân chia nền đất đá thành các đơn nguyên địa chất cơng trình. Một đơn nguyên địa chất cơng trình là một khối đất đá đồng nhất cĩ cùng tên gọi và thỏa mãn: Các đặc trưng đất đá trong phạm vi đơn nguyên biến thiên khơng cĩ tính quy luật; Nếu các đặc trưng đất đá biến thiên cĩ quy luật thì quy luật này cĩ thể bỏ qua. Phân Chia Các Đơn Nguyên Địa Chất Cơng Trình Tiến hành phân chia sơ bộ đất đá thuộc khu vực khảo sát thành các đơn nguyên địa chất cơng trình cĩ xét tới tuổi, các đặc điểm cấu tạo, kiến trúc và tên gọi đất. Kiểm tra sự đúng đắn của việc phân chia trên, trên cơ sở đánh giá sự biến đổi theo khơng gian của các đặc trưng dùng các chỉ tiêu và tính chất của đất sau đây: Đối với đất vụn thơ – dùng thành phần cấp phối hạt, hệ số rỗng và bổ sung thêm độ ẩm chung và độ ẩm chất lấp nhét lỗ rỗng. Đối với cát – dùng thành phần cấp phối hạt, hệ số rỗng và bổ sung thêm độ chặt. Đối với đất sét – dùng các đặc trưng tính dẻo, hệ số rỗng và độ ẩm. Nếu xác định được tính biến thiên của các đặc trưng đất đá khơng cĩ quy luật trên mặt bằng và theo chiều sâu đơn nguyên thì tính tốn các giá trị đặc trưng tiêu chuẩn và đặc trưng tính tốn. Khơng cần loại bỏ các giá trị đặc trưng của đất đá nếu sự biến thiên của các đặc trưng này trong cùng đơn nguyên địa chất cơng trình cĩ tính quy luật, hệ số biến thiên (V) và chỉ số độ tin cậy () khơng vượt quá các giá trị trong bảng. Nếu giá trị V lớn hơn giá trị ghi trong bảng thì phải phân nhỏCollege đơn nguyên địa chất cơng trình. Khi xác định ranh giới phân chia đơn nguyên địa chất cơng trình phải xét tới các yếu tố sau đây: Mực nước dưới đất: • Sự tồn tại của các vùng cĩ nhiều tàn tích thực vật; • Sự tồn tại các vùng cĩ mức độ phong hĩa khác nhau trong đá và trong đất tàn tích. • Sự tồn tạiCPD của các loại đất lún ướt, trương nở, nhiễm mặn. Các trị số giới hạn của V và  khi tìm trị trung bình GV: Huỳnh Ngọc Hợi 43
44. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình 3.4.2. Xác định chỉ tiêu tổng hợp (trị tiêu chuẩn) của đặc trưng: Chỉ tiêu tổng hợp là trị số trung bình của một đặc trưng (tính chất cơ lý). - Giá trị trung bình cộng của kết quả xác định riêng được lấy làm giá trị tiêu chuẩn của tất cả các đặc trưng đất đá (trừ c và ). - Các giá trị riêng của các đặc trưng của đất đá phải xác định theo một phương pháp thống nhất. Kiểm tra tập hợp (số liệu thí nghiệm) trong phạm vi đơn nguyên địa chất cơng trình để loại bỏ số liệu chứa sai số lớn, 1 n - Trị trung bình số học X : X  X i n i 1 n - Độ lệch quân phương trung bình tổng hợp: 1 2 Sth  XX i n i 1 College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 44
45. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình CHƯƠNG 6: NƯỚC DƯỚI ĐẤT Nước dưới đất là nước tự do chứa trong lỗ rỗng và khe nứt của đất đá. Khi chuyển động trong các lỗ rỗng, nước dưới đất sẽ gây trở ngại cho việc thi cơng và điều kiện làm việc cơng trình: gây ngập hố mĩng, xĩi ngầm, cát chảy * Tính tốn để khi khai thác nước dưới đất, như một khống sản cĩ ích, cho các nhu cầu sinh hoạt, phục vụ cơng, nơng nghiệp của con người. * Tính tốn chọn lựa các biện pháp để tháo khơ hố mĩng các cơng trình đặt thấp hơn mực nước dưới đất. * Tính lượng nước thấm mất của các cơng trình giữ, dẫn nước(hồ chứa nước, kênh dẫn ) tìm giải pháp khắc phục. Để giải quyết những vấn đề trên chúng ta cần phải nghiên cứu các vấn đề chung về: - Các tầng chứa nước dưới đất, sự hình thành và đặt tính của nĩ. - Chất lượng, trữ lượng của nước dưới đất. - Động thái của nước dưới đất. §1. CÁC TÍNH CHẤT CHỨA NƯỚC CỦA ĐẤT ĐÁ Hệ tầng đất đá bở rời hoặc nứt nẻ chứa đầy nước trọng lực được gọi là tầng chứa nước hoặc lớp chứa nước. Hệ tầng đất đá thấm nước yếu hoặc khơng thấm được gọi là tầng cách nước. Ngồi các lớp đá cứng, các lớp sét cứng, nửa cứng được xem là tầng khơng thấm nước. Chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng thốt nước của đất đá là độ thốt nước :  = Vwr / V Trong đĩ: Vwr : Thể tích nước cĩ thể thốt ra tự do dưới tác dụng trọng lực trong thể tích đất đá bão hịa nước là V. Độ thốt nước  của một số đất đá cĩ thể thay đổi trong phạm vi hẹp: - Cuội sỏi sạch  = 0.35 ÷ 0.3College - Đất cát  = 0.15 ÷ 0.1 - Đất sét pha  = 0.10 ÷ 0.01 - Đất sét  = 0 (nghĩa là thực tế rất khĩ thốt nước). §2. CHẤT LƯỢNG VÀ TRỮ LƯỢNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT Chất và lượngCPD là hai chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của quan trọng để khai thác và sử dụng nước dưới đất. Mạc khác nĩ cũng là những thơng số để tính tốn ăn mịn, hạ thấp nước dưới đất khi xây dựng cơng trình. 2.1. Chất lượng nước dưới đất: a. Tính chất hĩa học: Các nguyên tố và ion đĩng vai trị chủ yếu: - - 2- 2- 2+ 2+ + + Cl , HCO3 , SO4 , CO3 , Ca , Mg , Na , K , * Khí trong nước dưới đất * Phản ứng hoạt tính của nước (pH) Nước dưới đất bị phân ly: + - H2O  H + OH Trị số pH: pH = - lg[H+] GV: Huỳnh Ngọc Hợi 45
46. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Nước cĩ phản ứng trung hịa: [H+] = [OH-] = 10-7 pH = -lg10-7 = 7 pH 7 : tính kiềm * Độ cứng: là tính chất của nước cĩ chứa những hợp chất hịa tan của Ca2+ và Mg2+. - - Độ cứng cacbonat chỉ tính cho HCO3 Độ cứng được biểu diễn bằng meq hoặc độ Đức (1meq=2,8 độ Đức) Độ khống hĩa: Tổng số các ion, các phân tử và các hợp chất khác chứa trong nước hợp thành lượng khống hố của nước. Nước dưới đất cĩ thể cĩ tính chất ăn mịn bê tơng. Khả năng hịa tan của nước đối với CaCO3 được xác định trước hết bởi cacbonic 2- ăn mịn cĩ trong nước. Khi cĩ cacbonic tự do, ion CO3 khơng thể cĩ với lượng đáng kể - vì nĩ sẽ phản ứng với cacbonic tạo thành HCO3 2+ - CaCO3 + H2O + CO2 Ca + 2HCO3 2- - Cacbonic ở dạng ion CO3 gọi là cacbonic liên kết, cịn ở dạng HCO3 - cacbonic bán liên kết. Một phần CO2 tự do chứa trong nước tham gia hịa tan CaCO3; cịn phần kia gọi là CO2 cân bằng thì ở lại trong dung dịch và duy trì bicacbonat canxi trong dung dịch. Lượng cacbonic cân bằng xác định theo phương trình: 2 CO2 lien ket CO2 cân bang 34 b. Tính chất vật lý của nước dướiCollege đất: - Tỷ trọng của nước tùy thuộc vào lượng muối hịa tan. - Nhiệt độ của nước dưới đất biến đổi trong một phạm vi rộng lớn (từ dưới 0oC – 100oC) do điều kiện khí hậu, độ sâu địa chất và độ sâu chơn vùi khác nhau. - Độ trong suốt của nược phụ thuộc vào lượng khống vật bị hịa tan, các hợp chất cơ học, chất hữu cơ và chất keo cĩ trong nước. Nước nguyên chất thì trong suốt. - Màu của nước phụ thuộc vào thành phần hĩa hcj và tạp chất cĩ trong nước. Phần lớn nước khơng màu.CPD Nước cứng cĩ màu xanh nhạt, nước chứa Fe và H2S cĩ màu lục nhạt, chứa cây mục và chất hữu cơ cĩ màu vàng nhạt. - Mùi cĩ liên quan đến hoạt động của i khuẩn trong các chất hữu cơ cĩ trong nước. Nước thường khơng cĩ mùi, khi chứa H2S cĩ mùi trứng thối. - Vị của nước do các loại muối, các chât khí, tạp chất cĩ trong nước quyết định. - Tính dẫn điện của nước dưới đất phụ thuộc vào tổng lượng muối cĩ chứa trong nước, tính chất nước và nhiệt độ của nước. Nước khống hĩa cao thường cĩ tính dẫn điện mạnh. - Tính phĩng xạ các loại nước dưới đất hầu như đều cĩ tính phĩng xạ nhưng mức độ của chúng khác nhau. 2.2. Trữ lượng của nước dưới đất: Trữ lượng nước là chỉ tiêu quan trọng để tháo khơ và khai thác nước. Do nước là thể lỏng, luơn luơn chuyển động trong khe rỗng nên việc xác định trữ lượng của nước khơng hồn tồn giống như xác định trữ lượng các khống sản rắn như than, kim loại GV: Huỳnh Ngọc Hợi 46
47. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình a. Trữ lượng thiên nhiên: - Trữ lượng tĩnh Qt là thể tích nước dưới đất nằm trong tầng chứa nước cĩ thể lấy ra được khi làm khơ hồn tồn tầng nước. Qt =  . V Trong đĩ:  : Độ chứa nước của đất đá chứa nước; V: thể tích tầng chứa nước. - Trữ lượng động Qđ là lưu lượng dịng thấm tự nhiên qua một tiết diện ngang của nĩ. Qđ = k . F . J = k . H . J . B Trong đĩ: k: hệ số thấm của đất đá H: Chiều cao của dịng thấm J: građien thấm B: Chiều rộng của dịng thấm F = H . B b. Trữ lượng khai thác: Qkt của tầng chứa nước là lượng nước dưới đất cĩ thể lấy lên được bằng các cơng trình thu nước phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật hiện nay mà khơng làm thay đổi đáng kể trạng thái cân bằng của tầng chứa nước. §3. CÁC HÌNH THỨC HỆ THỐNG HĨA KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NƯỚC - Ion là dạng cơ bản biểu diễn kết quả phân tích nước. Các ion này tác dụng tương hỗ với nhau theo các tỷ số đương lượng nhất định vì vậy các kết quả phân tích cĩ thể biểu diễn dưới dạng đương lượng. Xác định số mg của một đương lượng bằng cách lấy nguyên tử lượng chia cho hố trị. Hàm lượng các ion trong nước thường được biểu diễn dưới dạng mg/l. Xác định số meq/l bằng cách lấy số mg/l chia cho số mg của một đương lượng. College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 47
48. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình §4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÙNG TRONG XÂY DỰNG College CPD GV: Huỳnh Ngọc Hợi 48
49. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình §5. CÁC LỌAI NƯỚC DƯỚI ĐẤT 5.1. Nguồn gốc sinh thành nước dưới đất, cột nước thủy lực và hướng chảy dịng ngầm: Phổ biến và dễ thấy hơn cả là nước nguồn gốc do thấm từ nước mặt. Tầng chứa nước cĩ mái và tường là hai tầng cách nước thì tồn tại và vận động như nước trong ống áp lực, gọi là tầng nước áp lực. Ngược lại, tầng chứa nước cĩ mái là một mặt thống tự do thì gọi là tầng nước khơng áp. College Phương trình Bernulli thể hiện tổng năng lượng cho một đơn vị CPDkhối lượng tại một điểm bất kỳ của dịng nước dưới đất: Nếu dịng được xem như khơng cĩ ma sát và khơng chịu nén theo phương vận động thì tổng 3 thành phần là hằng số, hay: Cĩ thể bỏ qua thành phần v2/2g, tổng cột nước thủy lực h sẽ là: Từ đĩ: h = z + hp Tổng cột nước thủy lực bằng tổng cột nước cao trình và cột nước áp suất. Tổng cột nước h, cột nước cao trình z và cột nước áp suất hp GV: Huỳnh Ngọc Hợi 49
50. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Trong tính tốn những bài tốn thấm, để thuận tiện, người ta hay so sánh với một mặt chuẩn thường lấy là đáy cách nước và xem như giá trị z = 0. Phương pháp đơn giản nhất để xác định hướng dịng ngầm là phương pháp tam giác. 5.2. Các tầng chứa nước phân chia theo điều kiện phân bố College1.Nước thổ nhưỡng 2.Nước thấu kính (tầng nước trên) 3. Nước đụn cát 4. Nước ngầm 5. Nước áp lực (actezi) 6 . Nước nằm trong khe nứt của đá CPD cứng: Do điều kiện khe hở lớn mà nước khe nứt vận động nhanh, thường ở dạng chảy rối và mang đặc tính của dịng chảy hơn là dịng thấm. Lấy điểm A ở độ sâu H - h dưới mực nước biển. Áp lực thủy tĩnh tại điểm A sẽ bằng: PA = (H – h) mặn.g . Ở điểm B trong lục địa trên đường ranh giới giữa nước mặn và nước nhạt cũng ở độ cao H - h. Áp lực thủy tĩnh do nước nhạt gây ra sẽ bằng: PB = (H – h) nhạt.g + h nhạt.g GV: Huỳnh Ngọc Hợi 50
51. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Nước áp lực cĩ thể gây bục đáy hố mĩng khi thi cơng. Điều kiện an tồn đáy hố mĩng: t  w (h + t) College §6. MỘT SỐ QUY LUẬT VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 6.1. Cơ sở động lực học của sự thấm và một số quy luật thấm Giả thiết rằng: dịng nước dưới đất chiếm tồn bộ tầng chứa nước, bao gồm tất cả khe hổng và phần CPDcốt (cứng) của mơi trường. Như vậy, dịng vận động thực tế của nước dưới đất chỉ theo các khe hổng được thay bằng dịng giả định, chiếm tất cả tầng chứa nước và gọi là dịng thấm. 6.1.1. Quy luật dịng chảy trong ống: Khả năng thấm nước của đất đá khơng chỉ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của lỗ rỗng và khe nứt mà cịn phụ thuộc vào tính chất nước thấm và mối tương tác giữa nước và đất đá. Để nghiên cứu dịng thấm, ta hãy mơ hình hố mơi trường lỗ rỗng và khe nứt thành mơi trường các ống trụ trịn cĩ đường kính khác nhau. Dịng thấm trong các lỗ rỗng, khe nứt được thay thế bằng dịng chảy trong ống. Trong trường hợp dịng chảy tầng ta cĩ biểu thức liên hệ giữa lưu lượng chảy, vận tốc chảy với građien áp lực của dịng chảy. Biểu đồ vận tốc thấm theo bán kính r cĩ dạng parabon với vận tốc lớn nhất tại tâm ống khi r = 0. J 2 Vmax r0 4 GV: Huỳnh Ngọc Hợi 51
52. Trường cao đẳng Phương Đơng Mơn: Địa chất cơng trình Lưu lượng dịng chảy trong ống Q0 sẽ bằng: t0 J Q 2 rV dr t 4 0 r 8 0 0 Từ hai cơng thức trên ta tính được vận tốc trung bình dịng chảy trong ống: Q r2 J V V 0 0 r 2 max tb 2 8 0 2 r0 Như vậy khi chảy tầng quan hệ giữa lưu lượng, vận tốc chảy với građien áp lực nước là quan hệ đường thẳng. Trong trường hợp chảy rối, quan hệ giữa vận tốc V và gradien áp lực J cĩ dạng:  V 2 J . 2r0 2g Trong đĩ: V: vận tốc trung bình của dịng chảy; λ: hệ số thuỷ lực phụ thuộc vào độ nhám của thành ống và chỉ số Raynon; g: gia tốc trọng trường; η: hệ số nhớt của nước; γ: dung trọng của nước. dr h 1 h 2 ro r o L dv : College 6.1.2. Định luật thấm đường thẳng (Darcy) h CPD h L h 2 h 1 L Q Từ kết quả thí nghiệm, Đacxi đã rút ra kết luận rằng lượng nước thấm Q qua đất trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với hiệu mực nước trong ống đo áp ∆h và diện tích tiết diện mẫu ω, tỉ lệ nghịch với chiều dài cột đất L ; theo hệ số tỷ lệ k. GV: Huỳnh Ngọc Hợi 52