1
TrƯêng ®¹i häc má ®Þa chÊt
ts. T« xu©n vu
Gi¸o tr×nh
®Þa chÊt c«ng tr×nh
biến đổi môi trờng địa chất ảnh hởng đến cuộc sống của con ngời.
Quá trình phát triển của Địa chất công trình đã hình thành những nội dung nghiên
cứu chủ yếu là thạch luận công trình, địa chất động lực công trình, địa chất công trình
chuyên môn, địa chất công trình khu vực và địa chất công trình các mỏ khoáng sản.
Trong thực tế hiện nay, trớc sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật xử
lý nền móng công trình, đòi hỏi Địa chất công trình phải có những bớc phát triển mới
với những nội dung và phơng pháp nghiên cứu mới theo hớng địa kỹ thuật để có khả
năng giải quyết tốt hơn các vấn đề liên quan đến việc sử dụng đất đá làm nền và môi
trờng xây dựng công trình.
ở Việt Nam, sự hình thành và phát triển của khoa học Địa chất công trình là tất
yếu và không thể thiếu trong sự nghiệp phát triển kinh tế, đặc biệt là trong thời kỳ tăng
trởng, phát triển kinh tế nh hiện nay, bởi mọi hoạt động xây dựng, quy hoạch và khai
thác lãnh thổ không thể tách rời môi trờng địa chất.
Khi xây dựng bất kỳ công trình nào, mục tiêu đặt ra trớc hết là phải đáp ứng các
yêu cầu về kỹ thuật, đồng thời thoả mãn yêu cầu về kinh tế, tức là phải đảm bảo cho
công trình ổn định, làm việc bình thờng và lâu dài với chi phí và thời gian ít nhất. Để
đạt đợc mục tiêu đó, không thể không nghiên cứu địa chất công trình trớc khi xây
dựng công trình. Công tác nghiên cứu địa chất công trình sẽ giúp cho chúng ta hiểu
biết sâu sắc về môi trờng địa chất để từ đó có cách ứng xử thích hợp, tận dụng và khai
thác tối đa những thuận lợi, khắc phục và giảm thiểu những bất lợi về điều kiện địa
chất trong hoạt động xây dựng.
Giáo trình Địa chất công trình dành cho sinh viên các chuyên ngành xây dựng
(Xây dựng công trình dân dụng, công nghiệp, Xây dựng công trình ngầm, Xây dựng
công trình mỏ, Xây dựng công trình ngầm thủy công, thủy điện, Xây dựng công trình
ngầm và mỏ, Xây dựng hạ tầng cơ sở) và một số chuyên ngành không chuyên khác nh
Thăm dò- khảo sát, Kỹ thuật khoan- khai thác, Khai thác mỏ, Tin học địa chất, đợc
biên soạn nhằm cung cấp những kiến thức tổng hợp, chung nhất về lĩnh vực địa chất
công trình, từ đó giúp cho sinh viên hiểu đợc mục đích, ý nghĩa cũng nh vai trò của
địa chất công trình, sự cần thiết và không thể thiếu của nghiên cứu địa chất công trình
trong hoạt xây dựng nói chung, sử dụng kiến thức chuyên môn địa chất công trình
4
Chơng 1
đại cơng về địa chất
1.1. Nguồn gốc Mặt trời và Trái đất
Từ xa xa, con ngời đã quan tâm giải thích nguồn gốc của Mặt trời và Trái đất.
Trong quá trình nhận thức, có hai trờng phái luôn luôn đấu tranh với nhau. Tôn giáo
và nhất là Thiên chúa giáo giải thích theo quan điểm duy tâm thần bí còn các nhà khoa
học thì giải thích theo quan điểm duy vật. Đến thế kỷ thứ 18, khi khoa học đã phát
triển, đặc biệt là lĩnh vực cơ học, các nhà khoa học đã xây dựng nhiều giả thuyết khác
nhau để giải thích nguồn gốc của Mặt trời và Trái đất.
- I. Kant (1755) cho rằng, trong vũ trụ có nhiều bụi và hơi tạo thành tinh vân. Do
lực hút hấp dẫn, chúng liên kết lại thành những khối nhỏ, các khối nhỏ tập trung thành
để chứng minh khoảng các giữa các hành tinh. Tuy nhiên, Smith cũng cha giải thích
đợc chênh lệch rất lớn về mômen động lợng giữa Mặt trời và các hành tinh nh hiện
nay, nguồn gốc, sự biến đổi của Mặt trời, ảnh hởng Mặt trời tới nguồn gốc Trái đất.
5
- Trong những năm 60 của thế kỷ 20, nhà thiên văn E. Hoyle (Anh) và Schatzman
(Pháp) đã tìm cách giải thích nguồn gốc của Mặt trời và Trái đất theo hớng điện từ
trờng tác dụng trong quá trình hình thành Mặt trời và hành tinh. Hai ông cho rằng,
ban đầu đám tinh vân trong vũ trụ tập hợp dần thành khối chuyển động quay với tốc độ
không cao, nhiệt độ trong đó cũng thấp. Dần dần, thể tích co rút và tốc độ quay vì thế
tăng nhanh, đến một mức độ nhất định thì thành hình dẹp, xích đạo phình to, một số
vật chất bị văng ra ngoài tạo thành dạng một đĩa tròn quay quanh Mặt trời. Trọng khối
của đĩa tròn rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 1/100 của Mặt trời. Vật chất thuộc đĩa tròn dần
dần hình thành các mầm hành tinh và sau đó thành hành tinh. Mặt trời bức xạ nhiệt
hạch, tạo ra một điện từ trờng trong không gian của hệ Mặt trời. Khi đĩa tròn vật chất
rời khỏi Mặt trời thì ở chỗ ranh giới của chúng phát sinh hiện tợng cơ học từ lu (chảy
từ cơ học) và Mặt trời chuyển mômen động lợng sang đĩa tròn. Nhờ mômen động
lợng tăng lên mà đĩa tròn mở rộng ra ngoài. Mặt trời thu nhỏ lại, nhng vì mất đi
mômen động lợng nên tốc độ quay chậm đi. Mặt trời bức xạ gió thổi bay xa các vật
chất nhẹ hình thành các hành tinh thuộc nhóm sao Mộc, các vật chất nặng ở lại hình
thành các hành tinh thuộc nhóm Trái đất.
1.2. Cấu tạo Trái đất
Dựa Theo kết quả nghiên cứu phối hợp các phơng pháp địa vật lý, đặc biệt là
phơng pháp địa chấn đo tốc độ truyền sóng dọc (V
p
) và tốc độ truyền sóng ngang (V
s
)
khi đi qua vật chất bên trong Trái đất cho thấy, Trái đất không đồng nhất về thành phần
3
. So sánh các tính chất vật lý cũng nh thành phần với thiên
thạch đá, ngời ta ớc tính khoáng vật olivin chiếm khoảng 46%, pyroxen là 25%,
plagiocla 11%, còn hợp kim sắt- niken 12%, tơng tự nh đá siêu bazơ. Phần trên cùng
của Manti với vỏ Trái đất tạo thành thạch quyển. Phần Manti dới nằm ở độ sâu từ
350- 650km có tỷ trọng lớn và áp lực tăng cao, năng lợng luôn đợc giải phóng, tạo
thành nguồn nhiệt năng trong Trái đất.
- Nhân Trái đất phân bố từ độ sâu 2900km cho đến tâm Trái đất (6370km), chia
6
làm 3 lớp: nhân ngoài (từ độ sâu 2900 đến 4980km); phần chuyển tiếp (từ 4980 đến
5120km) và nhân trong (từ 5210 đến 6370km).
Nhân Trái đất chỉ chiếm 16,2% thể tích nhng chiếm 31,3% trọng khối. Tỷ trọng
nhân Trái đất là 9,98- 12,51g/cm
3
, tơng đơng với thiên thạch sắt. Căn cứ vào tốc độ
truyền sóng địa chấn, ngời ta chia nhân Trái đất ra làm 3 lớp: Lớp nhân ngoài nằm ở
độ sâu từ 2885- 4170km; lớp nhân giữa nằm ở độ sâu từ 4170- 5155km; lớp nhân trong
nằm ở độ sâu từ 5155km đến tâm trái đất.
Các tài liệu đo địa vật lý cho thấy, lớp nhân ngoài không có sóng ngang, chứng tỏ
vật chất ở trạng thái lỏng. Lớp nhân giữa có sóng ngang, cho thấy vật chất chuyển dần
sang thể rắn. Còn ở lớp nhân trong đo đợc cả sóng ngang và sóng dọc, chứng tỏ vật
chất của lớp nhân trong ở trạng thái rắn.
1.3. Thành phần vật chất vỏ Trái đất
1.3.1. Cấu tạo vỏ Trái đất
Vỏ Trái đất có chiều dày không đồng đều, thể hiện ở địa hình phức tạp từ lục địa
đến đại dơng. Căn cứ vào các tài liệu địa vật lý chia vỏ Trái đất ra 2 kiểu chính là vỏ
lục địa, vỏ đại dơng và 2 kiểu phụ là vỏ á lục địa và vỏ á đại dơng.
Kiểu vỏ lục địa có chiều dày không đều: vùng nền, từ 35- 40km; vùng tạo núi
lớp đá phân chia không rõ ràng.
Kiểu vỏ á đại dơng gặp ở những trũng nớc sâu bao quanh và ở trong biển, cấu
trúc gồm ba lớp: lớp nớc; lớp đá trầm tích dày từ 4- 10km, có nơi 15- 20km và lớp vỏ
đại dơng, dày từ 5- 10km.
Đặc trng của kiểu vỏ á đại dơng cũng là không có lớp granitognai, chiều dày từ
10- 20km , có khi đến 25km .
7
1.3.2. Các nguyên tố hóa học trong vỏ Trái đất
Trong vỏ Trái đất, các nguyên tố tồn tại dới dạng phân tán, phân bố không đều,
luôn luôn kết hợp và biến đổi trong các khoáng vật, đá khác nhau.
Để biết số lợng mỗi nguyên tố hóa học có trong Trái đất, ngời ta đã tiến hành
lấy mẫu từ trên mặt đất đến độ sâu 16- 20km và đem phân tích. Năm 1899, lần đầu tiên
nhà khoa học ngời Mỹ W. Clark (Clac) đã công bố kết quả nghiên cứu sau nhiều năm
phân tích, thống kê với rất nhiều mẫu để tìm ra tỷ lệ phần trăm trọng lợng bình quân
các nguyên tố hóa học. Số liệu công bố đã gây nên sự chú ý mạnh mẽ của các nhà khoa
học. Ngời ta gọi số phần trăm trọng lợng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong vỏ Trái
đất là trị số Clac. Trị số Clac xem nh là giá trị trung bình các nguyên tố hóa học phân
bố trong vỏ Trái đất. Do tác dụng của các quá trình địa chất nên các nguyên tố hóa học
phân bố không đều. Nơi nào tập trung vợt xa trị số Clac thì có khả năng tạo thành mỏ
khoáng sản. Cho đến nay, đã có nhiều tác giả công bố trị số Clac của các nguyên tố
hóa học chủ yếu trong vỏ Trái đất theo kết quả nghiên cứu của mỗi ngời (bảng 1).
Bảng 1: Trị số Clac các nguyên tố chủ yếu trong vỏ Trái đất
Các nguyên
tố chính
Theo Clark và
Washingtơn
1924
Fesman
mm, đợc hình thành
do các phản ứng hóa học hay sinh vật làm hòa tan các chất trong môi trờng đất đá.
- Khoáng vật kết tinh là khoáng vật hình thành do sự kết tinh các nguyên tố hóa
học thành những tinh thể (vật thể do các ion, nguyên tử, phân tử phân bố một cách có
quy luật tuần hoàn trong không gian) và gắn kết lại với nhau. Nét đặc trng của tinh
thể là cấu trúc mạng, do các hạt vật chất sắp xếp có quy luật trong không gian theo các
8
nút mạng để tạo thành ô mạng trong tinh thể. Mỗi tinh thể có một kiểu ô mạng riêng,
phát triển theo 1 phơng, 2 phơng hay 3 phơng:
Phát triển theo 1 phơng: Tinh thể có dạng hình trụ, hình kim nh thạch anh,
antimoan, hoenblen.
Phát triển theo 2 phơng: Tinh thể có dạng phiến, tấm nh thạch anh, mica.
Phát triển đều 3 phơng: Tinh thể có dạng hạt, hình cầu nh pyrit.
Nguồn gốc của khoáng vật có thể là nội sinh hay ngoại sinh:
- Khoáng vật nội sinh hình thành liên quan với các quá trình xảy ra ở trong vỏ
Trái đất và ở phần trên Manti nh macma và biến chất;
- Khoáng vật ngoại sinh hình thành có liên quan với các quá trình địa chất ở phần
trên vỏ Trái đất nh phong hóa, trầm tích.
Các tính chất vật lý của khoáng vật do cấu trúc tinh thể quyết định, bao gồm:
- Tính chất quang học: Độ trong suốt, ánh xạ, màu sắc, màu vết vạch, ;
- Tính chất cơ học: Cắt khai, mặt vỡ, độ cứng, ;
- Tính chất vật lý: Tỷ trọng, từ tính, điện áp, .
Bảng 2: Lợng khoáng vật (% thể tích) phân bố ở vỏ Trái đất (Ronov, 1969)
Khoáng vật
Lợng
phân bố
2
, S, . Căn cứ môi trờng thành tạo chia ra:
- Macma xâm nhập gồm macma xâm nhập sâu do macma đông nguội dới sâu
trong vỏ Trái đất tạo thành và macma xâm nhập nông do macma đông nguội gần mặt
đất (từ 1- 3km) tạo nên.
- Macma phun trào do dung dịch macma phun lên hoặc trào ra trên mặt đất đông
nguội tạo thành.
2. Đá trầm tích
Đá trầm tích đợc hình thành do các vật liệu đất đá vụn rời tích tụ và gắn kết lại ở
trong các bồn trũng. Nguồn vật liệu vụn rời đợc tạo ra là do các tác dụng địa chất
ngoại sinh đối với đất đá vỏ Trái đất hay do các vật liệu tro bụi, hạt đất đá phun ra từ
núi lửa hay do từ vũ trụ rơi xuống.
9
Theo nguồn gốc vật liệu, đá trầm tích đợc chia ra các loại: đá vụn cơ học; đá vụn
núi lửa; đá sét; đá hóa học và đá sinh hóa.
3. Đá biến chất
Đá biến chất đợc hình thành từ các đá có trớc (macma, trầm tích hoặc biến
chất), bị biến đổi về thành phần, kiến trúc, cấu tạo khi ở trong điều kiện tác dụng mới
của nhiệt độ, áp suất hoặc dung dịch hóa học. Dựa vào nhân tố gây biến chất chủ yếu,
đá biến chất đợc chia ra các loại: biến chất tiếp xúc; biến chất trao đổi; biến chất động
lực và biến chất khu vực (biến chất nhiệt động).
- Biến chất tiếp xúc trao đổi: Biến chất xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối
macma nóng chảy với đá vây quanh. Tác dụng của nhiệt độ, khí, thành phần dung
nham, làm biến đổi cơ bản thành phần và tính chất của đá. Nếu sự biến đổi đó chỉ do
nhiệt độ cao của macma thì gọi là biến chất tiếp xúc nhiệt, nhng thờng là quá trình
biến chất tiếp xúc trao đổi.
- Biến chất động lực: Biến chất do tác dụng của áp suất cao sinh ra trong quá trình
kiến tạo làm cho đất đá bị mất nớc, giảm độ rỗng và liên kết chặt hơn.
Trong quá trình phân dị, sau khi các khoáng vật silicat kết tinh, một số thành phần
chất bốc đợc tăng lên tơng đối. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ thấp, chúng hình thành
macma tàn d phân bố ở tầng trên của macma hoặc ở một phần nhất định.
10
3- Tác dụng phân dị khí thành: Trong macma tàn d có rất nhiều chất bốc với đặc
trng là điểm nóng chảy thấp, thành phần bốc hơi nhiều, hoạt tính hóa học mạnh, do đó
dễ cùng với các kim loại trong macma, nhất là các nguyên tố kim loại hiếm hóa hợp
thành khoáng vật. Khi nhiệt độ và áp suất của macma hạ xuống, các khoáng vật này
tách ra khỏi macma và đọng lại trong các khe nứt, các hốc của đá vây quanh. Quá trình
này xảy ra sau phân dị macma nên đợc gọi là phân dị khí thành. Nó dễ tạo ra nhiều
khoáng sàng kim loại có giá trị.
4- Tác dụng đồng hóa hỗn nhiễm: Đá vây quanh macma có sự khác nhau nhiều về
thành phần hóa học và tính chất vật lý. Vì thế, khi macma xâm nhập vào đá vây quanh
thì xảy ra sự trao đổi hóa lý giữa chúng. Nhiệt độ, áp suất cũng nh tính chất hóa học
của các thành phần macma sẽ làm cho phần tiếp xúc của đá vây quanh hòa tan, biến
đổi, bổ sung vào thành phần macma. Đó chính là tác dụng đồng hóa hỗn nhiễm. Mức
độ đồng hóa hỗn nhiễm càng mạnh khi nhiệt độ macma càng cao, quy mô của thể
macma càng lớn, sự khác biệt về thành phần vật chất macma và đá vây quanh cũng nh
độ nứt nẻ của đá vây quanh càng nhiều.
1.4.2. Quá trình hình thành đá trầm tích
Quá trình hình thành đá trầm tích có thể đợc chia ra thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1- hình thành vật liệu trầm tích: Phá hủy đá tạo nên các mảnh vụn đất
đá, dung dịch, gọi là giai đoạn tạo vật liệu trầm tích.
- Giai đoạn 2- vận chuyển và lắng đọng vật liệu trầm tích: Dới tác động của
dòng nớc và gió, vật liệu mảnh vụn đợc vận chuyển, tuyển lựa và tích đọng tạo thành
lớp trầm tích mềm rời hoặc kết tủa.
- Giai đoạn 3- thành đá: Dới tác dụng của áp lực, trọng lực và các dung dịch kết
tủa trong nớc, vật liệu trầm tích đợc nén chặt và gắn kết lại thành đá.
T = f( -
0
)
3
6
. d
(2)
11
Trong đó:
T- lực ma sát giữa hạt và đáy sông;
a- hệ số phụ thuộc vào hình dạng hạt;
f- hệ số ma sát;
- khối lợng thể tích của hạt;
0
- khối lợng riêng của nớc;
g- gia tốc trọng trờng.
ở trạng thái cân bằng giới hạn có P = T, tốc độ dòng chảy tơng ứng với v
gh
,
3
0
2
2
0
.
gh
, hạt bị cuốn trôi. Nếu hạt va chạm vào hạt
khác, nó có thể bị đẩy nổi lên và dới tác dụng của trọng lợng bản thân Q, hạt lại có
xu hớng chìm xuống. Nếu gọi tốc độ nổi lên của hạt là u thì lực đẩy nổi thuỷ động tác
dụng vào hạt là P
T
đợc xác định theo biểu thức:P
T
=
2
2
0
4
.
2
d
g
u
a
(4)
Muốn cho hạt không chìm thì lực đẩy nổi thuỷ động phải cân bằng với trọng
lợng bản thân hạt, tức là P
T
= Q. Khi đó tốc độ lắng chìm tơng ứng với u
gh
==
(5)
Nếu nh tốc độ nổi lên của hạt lớn hơn u
gh
thì hạt sẽ nổi và bị mang đi theo dòng
chảy, nếu bằng hoặc nhỏ hơn thì hạt chìm ở đáy sông. u
gh
chính là giá trị giới hạn giữa
hình thức vận chuyển nổi và lăn, phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy.
Nếu gọi tốc độ giới hạn giữa hình thức vận chuyển nổi và lăn là
'
gh
v
thì:
ghvgh
umv .
'
=
=
'
gh
v
d
a
g
gh
v
hạt chìm và lắng đọng tại chỗ.
Nh vậy, quá trình vận chuyển và tích tụ vật liệu đất đá có quy luật rất rõ ràng:
Hạt chỉ có thể lắng đọng trong môi trờng nớc khi tốc độ dòng chảy nhỏ hơn tốc độ
giới hạn tơng ứng với trọng lợng của nó. Quy luật này tạo ra đặc tính phân dị của các
lớp trầm tích và đợc gọi là quy luật phân dị trọng lực. Trên mặt cắt địa chất, theo
chiều từ dới lên, các lớp đất đá trầm tích thờng có cỡ hạt nhỏ dần, do bị chi phối bởi
tốc độ dòng chảy trong quá trình thành tạo.
Quy luật phân dị trọng lực không những chi phối thành phần hạt trầm tích mà còn
ảnh hởng rất lớn đến mức độ tròn cạnh của hạt. Trờng hợp vật liệu vụn rời di chuyển
ít trong môi trờng nớc thì hạt có mức độ tròn cạnh kém hoặc sắc cạnh, nhng nếu di
P
v
Q
P
T
T
Hình 1: Sơ đồ các lực tác dụng vào hạt đất đá trong dòng chảy
12
chuyển nhiều, đặc biệt là di chuyển theo hình thức cuốn lăn ở đáy thì hạt có mức độ
tròn cạnh tốt do bị mài mòn trong quá trình vận chuyển.
2. Quá trình rắn kết hình thành đá trầm tích
Nh vậy, tác dụng của quá trình tái kết tinh làm cho vật liệu trầm tích trở thành đá
trầm tích, các sinh vật bảo tồn ở dạng hóa đá, tính chất xếp lớp trong lúc lắng đọng
trầm tích đợc giữ lại thành các cấu tạo lớp.
1.4.3. Quá trình gây biến chất đá
Quá trình biến chất đá xảy ra rất phức tạp, với sự tham gia của nhiều nhân tố.
Nhìn chung, có 3 phơng thức tác dụng trong quá trình biến chất:
1- Tác dụng tái kết tinh: Tác dụng gây nóng chảy, di chuyển và kết tinh lại, tạo ra
tinh thể hoặc hạt lớn hơn trong trạng thái rắn. Quá trình này không hình thành khoáng
vật mới mà chỉ làm thay đổi kiến trúc của đá: hạt nhỏ biến thành hạt to; hạt đều hơn;
hạt có góc cạnh trở thành tròn cạnh. Thí dụ: đá vôi có thành phần hóa học là canxit,
(áp suất 50 kG/cm
2
, 42
0
C)
CaSO
4
.2H
2
O
CaSO
4
(thạch cao) (anhyđrit)
SiO
4
.nH
2
O
2
O và CO
2
tham gia). Thí dụ: Anđaluzit, đisten, silimanit đều cùng có thành phần hóa học là
Al
2
SiO
5
nhng chúng đợc thành tạo ở các điều kiện hóa lý khác nhau.
- Dạng phản ứng thoát nớc và thủy hóa: Khi nhiệt độ tăng cao, nớc trong
khoáng vật thoát đi và tạo ra khoáng vật mới. Thí dụ: khi nhiệt độ tăng cao, caolinit
mất nớc trở thành bayđelit:
Al
4
[Si
4
O
10
][OH]
8
+ 4SiO
2
2Al
2
[Si
4
O
10
][OH]
O, CO
2
ra, các nguyên tố K, Na, Ca, Mg, Fe, Si, Al, cũng trở nên linh hoạt hơn.
Chúng tạo nên các dòng chảy có hoạt tính hóa học mạnh. Dòng chảy tác động với
khoáng vật đá nguyên gốc, hình thành sự trao đổi, thay thế vật chất để tạo ra các
khoáng vật mới. Thí dụ: dung dịch bão hòa Na
+
khi tiếp xúc với octocla, Na
+
thay thế
K
+
để tạo ra khoáng vật mới là anbit. Ion K
+
giải thoát ra lại đợc dung dịch mang đi
nơi khác. Ngợc lại, nếu dung dịch bão hòa K
+
thì K
+
có thể thay thế Na
+
trong anbit
để tạo thành octôclaz.
1.4.4. Quá trình phong hóa biến đổi đất đá
Quá trình phong hoá là tổng hợp các quá trình vật lý, hoá học và sinh vật làm biến
đổi thành phần, kiến trúc, cấu tạo, trạng thái của đá. Thực chất của quá trình phong hoá
là phá vỡ mối liên kết kết tinh (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, ) có độ bền cao
trong các tinh thể, khoáng vật tạo đá, hình thành các khoáng vật thứ sinh dạng phân tán
với mối liên kết keo nớc (liên kết phân tử, iôn tĩnh điện) mềm yếu. Quá trình phong
hoá đá làm biến đổi đá cứng, đá nửa cứng thành các loại đất có tính chất cơ lý khác hẳn
- Phản ứng thuỷ phân: Đây là phản ứng hoá học gây phá huỷ chủ yếu các khoáng
vật tạo đá mà phổ biến là các khoáng vật gốc silicat, do các cặp ocxon (H
+
- OH
-
) tham
gia vào các mạng tinh thể khoáng vật tạo đá và đẩy các ion kim loại kiềm, kiềm thổ
(K
+
, Na
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Si
4+
, Al
3+
, ) ra khỏi chúng, tạo nên các khoáng vật thứ sinh. Sự
tác dụng này có thể làm biến đổi mạng tinh thể từ kiến trúc khung sang dạng lớp và
dần dần phân rã thành từng phần riêng biệt.
- Phản ứng cacbonat hoá: Phản ứng cacbonat hoá là phản ứng giữa cacbonic hoà
tan trong nớc với khoáng vật tạo đá, tạo thành các muối cacbonat. Cacbonic còn tác
dụng với cacbonat khó hoà tan tạo thành muối bicacbonat dễ hoà tan trong môi trờng
nớc dới dạng phân ly.
Nhìn chung, các tác dụng hoá lý xảy ra trong quá trình phong hóa có thể mạnh
hay yếu còn phụ thuộc vào thành phần, kiến trúc, cấu tạo, tính chất của đá và điều kiện
môi trờng tự nhiên xung quanh.
2. Các giai đoạn của quá trình phong hoá đá
2
0
3
, Fe
2
0
3
,
Mn0
2
, , các khoáng vật sét thứ sinh hình thành trong giai đoạn trớc bị mất kiềm
(Mg
2+
, K
+
, Na
+
, ) hình thành các khoáng vật sét mới nh kaolinit, haluazit,
4- Giai đoạn alit: Đây là giai đoạn phong hoá hoá học cao nhất, các khoáng vật
ổn định cao nh thạch anh cũng bị phá huỷ, các khoáng vật đơn giản, các hợp chất bền
vững trong môi trờng phong hoá nh các ôxyt sắt, ôxyt nhôm, mangan đợc hình
thành và tích đọng lại ngày càng nhiều. Sự tích đọng này, có thể dẫn tới hình thành đới
laterit (đới tàn tích giàu ôxyt sắt, nhôm) hay tầng đá ong (ở những điều kiện thích hợp).
Sự hình thành các giai đoạn của quá trình phong hoá trên phụ thuộc rất quan trọng
vào điều kiện khí hậu, đặc điểm địa hình và điều kiện địa chất thủy văn. Có nơi, quá
trình phong hoá xẩy ra đầy đủ theo cả 4 giai đoạn trên, nhng cũng có nơi chỉ phát
triển 1- 2 giai đoạn hay 3 giai đoạn.
3. Sự biến đổi của đất đá trong quá trình phong hoá
Nh đã biết, quá trình phong hoá làm biến đổi đá cả về thành phần, kiến trúc, cấu
tạo, trạng thái, tính chất cơ lý, Mức độ biến đổi tuỳ thuộc vào mức độ phong hoá,
chảy nên các hạt khoáng vật có năng lực kết tinh lớn sẽ tự hình, còn các hạt có năng
lực kết tinh nhỏ sẽ méo mó, tha hình.
Cờng độ, độ ổn định của đá thay đổi theo kích thớc hạt, mức độ đồng nhất và
mức độ tha hình của các hạt trong khối đá. Đá kết tinh hạt nhỏ thờng có cờng độ lớn
và độ ổn định phong hóa cao hơn đá có cùng thành phần nhng kết tinh hạt lớn. Đá có
kiến trúc tha hình thì bền vững hơn đá kiến trúc tự hình, đặc biệt là khoáng vật tha hình
là thạch anh thì mức độ ổn định tăng lên rõ rệt.
Đối với đá trầm tích vụn kết thì hình dạng và kích thớc hạt là do thành phần,
kích thớc hạt đá gốc và phơng thức vận chuyển của dòng chảy quyết định. Đá trầm
tích có nguồn vật liệu từ phong hóa hóa học thì hạt nhỏ và mịn. Đá đợc trầm tích do
dòng chảy mang tới thì tròn cạnh, trầm tích do gió thì hạt đồng đều nhng góc cạnh
hơn. Đá có nguồn gốc trầm tích biển thì hạt đều, nhỏ, dạng đẳng thớc hay dẹt, trầm
tích sông thì mức độ đều hạt thấp hơn (hạt không đều), .
Đối với đất dính và đất rời, kích thớc và hình dạng hạt có vai trò quyết định đối
với tính chất cơ lý của chúng. Đất có kiến trúc hạt càng thô, càng góc cạnh thì độ bền,
độ ổn định càng cao. Cuội và dăm là hai loại hạt có kích thớc nh nhau nhng dăm
góc cạnh hơn và thờng đồng nhất hơn, do đó có cờng độ chống cắt lớn hơn. Trong
khi cát có độ nén lún nhỏ, độ rỗng bé, độ thấm nớc lớn thì sét có tính dẻo, độ rỗng, độ
nén lún lớn và hầu nh không thấm nớc. Khi các hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt
riêng (tỷ diện tích- tổng diện tích bề mặt các hạt trong một đơn vị thể tích đất đá) càng
lớn, năng lợng bề mặt càng tăng và hoạt tính bề mặt càng rõ rệt. Có thể lấy thí dụ về
diện tích bề mặt riêng của một số loại khoáng vật sét (bảng 3). Mônmôrilônit có diện
tích bề mặt riêng rất lớn so với khoáng vật kaolinit nên tính a nớc lớn hơn nhiều.
Bảng 3: Diện tích bề mặt riêng của một số khoáng vật sét
Khoáng vật
Tỷ lệ các
kích thớc
Kích thớc
Tỷ diện tích
(m2/g)
thuộc vào kích thớc hạt và mức độ hiđrat hóa trên bề mặt hạt. Tuy nhiên, trong đất
dính, đặc biệt là đất sét, liên kết keo nớc hình thức liên kết chủ yếu nên đóng vai trò
đặc biệt quan trọng, quyết định độ bền kháng cắt của đất.
1.5.2. Cấu tạo của đất đá
Cấu tạo của đất đá cho biết quy luật phân bố của các khoáng vật, các hạt theo các
hớng khác nhau trong không gian và mức độ sắp xếp chặt sít của chúng. Sự hình
thành cấu tạo không đẳng hớng, không đồng nhất của đất đá do sự sắp xếp và phân bố
các hạt, đợc quyết định bởi môi trờng thành tạo nh trờng trọng lực, trờng áp lực,
trờng nhiệt, trờng thủy lực, . Trong các điều kiện khác nh nhau, sự định hớng
càng rõ rệt khi cờng độ của các trờng tác dụng biểu hiện càng rõ. Trên thực tế, sự
hình thành cấu tạo của đá, trong nhiều trờng hợp, là tổng hợp tác dụng của nhiều
trờng, trong đó, trờng trọng lực là trờng tác dụng thờng xuyên.
Sự thành tạo lớp của đá trầm tích là do tác động của trờng trọng lực kết hợp với
trờng thủy lực. Dòng nớc có tác dụng vận chuyển các hạt còn lực hút trái đất có vai
trò tuyển lựa các hạt theo trọng lợng. Vì vậy, đá trầm tích thờng có cấu tạo phân lớp
nằm ngang hay xiên chéo.
Tác dụng của trờng trọng lực (áp lực địa tầng) và trờng nhiệt có thể làm cho đá
biến chất khu vực có cấu tạo phiến rất điển hình. Các tinh thể khoáng vật hình tấm nh
mica, clorit, hình thành do nhiệt độ cao, dới tác dụng của áp lực định hớng sẽ sắp
xếp song song với nhau và tạo nên cấu tạo phiến của đá.
Đối với đất rời và đất dính, đặc điểm cấu tạo phụ thuộc chủ yếu vào trờng trọng
lực và trờng thủy lực. Những trờng này có thể làm cho đất có cấu tạo phân lớp dày
hay mỏng, xiên chéo hay nằm ngang, đều hay không đều, .
18
Trong điều kiện áp lực lớn, phần lớn các loại đá đều đá có cấu tạo chặt sít, giữa
các hạt không còn hay còn rất ít lỗ hổng. Ngợc lại, trong điều kiện áp lực nhỏ, đá
trầm tích, đá macma và ngay cả đá biến chất thờng có cấu tạo không chặt sít, mức độ
lỗ hổng lớn, có thể tạo nên cấu tạo dạng lỗ hổng nh cấu tạo bọt của đá phun trào, cấu
0
); thế nằm nghiêng ( = 2- 90
0
) và thế nằm thẳng đứng ( = 90
0
).
Trong vùng có hoạt động kiến tạo yếu, đá thờng có thế nằm ngang hoặc hơi nghiêng.
Còn trong vùng có hoạt động kiến tạo mạnh, thế nằm của đá thờng nghiêng và bị uốn
nếp, tạo nên những nếp lồi, nếp lõm phức tạp.
1.6. Chuyển động kiến tạo và biến dạng vỏ Trái đất
1.6.1. Khái niệm về chuyển động kiến tạo
Các hoạt động địa chất nội sinh gồm có chuyển động kiến tạo, hoạt động macma,
động đất và tác dụng biến chất. Trong các hoạt động đó, chuyển động kiến tạo là
nguyên nhân chính gây ra các hoạt động khác.
M
B
N
B
O
P
B
B
19
tích biến đổi theo thời gian, thể hiện chuyển động của Trái đất, hiểu đợc đặc điểm
nâng lên, hạ xuống của vỏ Trái đất.
Chuyển động thăng trầm nhịp nhàng có tính chu kỳ, phản ánh ở sự thay đổi theo
nhịp ở các đá trầm tích. Mỗi nhịp có thể thay đổi từ vài mét đến hàng trăm mét, nhng
cũng có thể rất nhỏ, chỉ từ một vài milimét. Sự chuyển động theo nhịp còn biểu hiện ở
sự lặp lại về thành phần, độ hạt, bề dày và một số tính chất vật lý của đá trầm tích hoặc
sự có mặt của sinh vật, trong đá. Cũng cần phải nói rằng, với những biểu hiện trên,
ngoài nguyên nhân do chuyển động nâng lên hạ xuống của vỏ Trái đất còn có thể do sự
biến đổi có tính chu kỳ của khí hậu, của nguồn cung cấp vật liệu, của biến đổi mực
nớc biển, nhng chuyển động nâng lên, hạ xuống có tính chu kỳ nhịp nhàng của vỏ
Trái đất vẫn giữ vai trò quan trọng.
2. Biểu hiện của chuyển động kiến tạo ở sự biến vị của đá
Chuyển động kiến tạo không những biểu hiện ở lịch sử phát triển địa chất mà còn
ở sự biến vị và biến dạng của các đá. Bởi kết quả của chuyển động kiến tạo có thể làm
20
thay đổi tính đồng nhất về thành phần, đặc trng vật lý, cấu trúc của đá, thay đổi trạng
thái, sự cân bằng địa chất đã hình thành trớc đó trong đá. Những biểu hiện thay đổi đó
tùy thuộc vào tính chất của các chuyển động.
- Chuyển động thăng trầm không đồng đều có thể làm cho lớp đá bị uốn cong
dạng sóng hoặc bị nghiêng lệch, thậm chí làm cho đá bị phá hủy.
- Chuyển động nằm ngang gây dồn nén, làm cho các lớp đá bị biến dạng uốn nếp,
bị phá hủy biến vị.
- Chuyển động nằm ngang căng dãn, làm cho các đá bị tách rời, đứt vỡ.
- Chuyển động xoắn xoay quanh trục hoặc điểm có thể làm cho đá bị uốn cong,
đứt vỡ, tạo ra những đờng nứt, khe nứt.
Các chuyển động kiến tạo xảy ra trên quy mô lớn có thể thấy đợc qua sự tách rời
của các mảng, của các bộ phận châu lục có tính đồng nhất với nhau. Do đó, theo đờng
biên của những mảng, bộ phận châu lục, tuy ở rời nhau nhng đất đá lại có đặc trng
21
đạt mức biến dạng phá hủy, đứt vỡ. Có 2 mức độ biểu hiện biến dạng:
- Biến dạng phá hủy: Biến dạng này chỉ gây nứt nẻ trong đá, cha làm xê dịch
đáng kể vị trí của các lớp đá. Kết quả của biến dạng đứt vỡ nhỏ là làm phát sinh hệ
thống các khe nứt trong đá.
- Biến dạng đứt vỡ: Biến dạng gây ra sự dịch chuyển rõ ràng vị trí các lớp đá, quy
mô có thể từ nhỏ cho đến rất lớn (hàng kilômét). Kết quả của biến dạng đứt vỡ lớn là
hình thành các đứt gãy ở các cấp độ khác nhau.
1. Khe nứt
Khe nứt là sản phẩm của biến dạng phá hủy, cha có sự dịch chuyển đáng kể
trong các lớp đá. Có thể phân biệt 2 loại khe nứt theo nguồn gốc thành tạo là khe nứt
kiến tạo và khe nứt phi kiến tạo.
- Khe nứt kiến tạo là loại khi nứt có liên quan với các hoạt động kiến tạo (nội lực).
Loại khe nứt này có thể phân bố ở vị trí khác nhau của các hình thái cấu tạo địa chất,
tùy thuộc vào sự phân bố và tác dụng của các lực kiến tạo khu vực.
- Khe nứt phi kiến tạo đợc hình thành do các tác động ngoại lực, nh khe nứt
thoát tải, khe nứt phong hóa, khe nứt của đá macma đợc hình thành trong quá trình
xâm nhập lên vỏ trái đất (do nguội lạnh, thể tích co rút), .
Nhìn chung, khe nứt trong đá rất đa dạng, quy mô của khe nứt thay đổi trong
phạm vi rất lớn, từ một vài centimét đến hàng chục mét. Chúng có thể xuất hiện thành
chùm, thành mạng hay theo hệ thống. Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, sử dụng,
có nhiều cách phân loại khe nứt khác nhau.
- Theo độ hở, ngời ta phân biệt: khe nứt hở; khe nứt kín; khe nứt ẩn.
- Theo vị trí tơng đối phân bố trong không gian so với cấu tạo lớn, chia ra: khe
nứt dọc; khe nứt ngang; khe nứt cắt chéo; khe nứt theo đờng phơng; khe nứt theo
hớng dốc; khe nứt theo lớp.
- Theo thế nằm có: khe nứt nằm ngang; khe nứt thoải (góc dốc từ 10 - 30
0Hình 3: Các yếu tố của đứt gãy
Phân loại đứt gãy (hình 4):
- Đứt gãy thuận (a): Đứt gãy có cánh trên trợt xuống, cánh dới đẩy lên.
- Đứt gãy nghịch (b): Đứt gãy có cánh trên đẩy lên, cánh dới trợt xuống.
- Đứt gãy chờm (chờm nghịch): Đứt gãy nghịch có mặt đứt gãy với góc dốc nhỏ
hơn 45
0
. Loại đứt gãy này thờng đi liền với uốn nếp, có cự li dịch chuyển lớn, đặc
trng cho vỏ Trái đất có cấu tạo nếp uốn.
- Đứt gãy bằng (c): Đứt gãy có hớng dịch chuyển ngang, mặt đứt gãy có thể
đứng, nghiêng hoặc nằm ngang.
- Đứt gãy sâu: Đứt gãy có quy mô rất lớn, xuyên sâu vào trong vỏ trái đất, kéo dài
đến hàng trăm, hàng nghìn kilômét thờng tái hoạt động nhiều lần. (a) (b) (c)
Hình 4: Các yếu tố của đứt gãy
1.7. Đặc điểm chủ yếu của các loại đá
1.7.1. Đặc điểm của đá macma
Khi xâm nhập lên phần trên của vỏ quả đất, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất
giảm thấp, dung dịch macma tỏa nhiệt, nguội dần và đông cứng thành nhiều loại đá
macma. Thành phần vật chất và điều kiện nguội lạnh của macma (kết tinh ở sâu, nông
hay ở trên mặt) quyết định các đặc trng cơ bản của đá macma.
phân bố tơng đối lớn.
- Thế nằm dạng mạch: Hình thành do macma xâm nhập và lấp đầy khe nứt của
các tầng đá. Chiều dày mạch thay đổi từ vài centimét đến vài chục mét. Đá mạch có
nhiều nhánh, chỗ tiếp xúc với đá vây quanh thờng có khe nứt làm tăng tính thấm nớc
của đá. Mạch đá macma thờng cắt các tầng đá với góc tơng đối lớn.
b. Các dạng thế nằm của đá macma phun trào
- Dạng lớp phủ: Đá macma phun trào phủ trên một diện tích rất rộng, có thể tới
hàng ngàn km
2
. Thờng đợc hình thành do dung nham trào lên mặt đất theo các khe
nứt kéo dài của vỏ trái đất. Sự phun trào macma nhiều đợt có thể tạo lớp phủ thành
nhiều tầng với chiều dày lớn.
- Dạng dòng chảy: Hình thành do macma trào lên qua miệng núi lửa di chuyển lấp
đầy các khe rãnh của thung lũng. Đặc trng của nó là có chiều dài lớn hơn chiều rộng
rất nhiều, phụ thuộc vào độ nhớt của dung nham và hình dạng thung lũng, có thể kéo
dài đến 30- 40 km và hơn nữa. Nếu macma nghèo silic thì dung nham thờng lỏng, dễ
di chuyển, dòng chảy có chiều dài lớn, macma giàu silic thì độ nhớt lớn, có thể đông
đặc tại chỗ hình dạng vòm, dạng tháp, .
2. Thành phần khoáng vật của đá macma
Khoáng vật nguyên sinh chủ yếu tạo nên các loại đá macma là fenpat, thạch anh,
amfibon, pirôxen, mica, ngoài các khoáng vật trên còn có ziacôn, tuamalin, apatit, .
Các khoáng vật phụ, tha sinh có thể gặp nh xêrixit, clorit, kaolinit, cocđêzit, . Sự có
mặt của tổ hợp các loại khoáng vật trong đá macma đợc quyết định bởi thành phần
hóa học, sự phân dị kết tinh của macma.
Hầu hết các khoáng vật trong đá macma có mối liên kết hóa học bền vững và
đợc thành tạo ở điều kiện nhiệt độ cao. Do vậy, cờng độ của khoáng vật tơng đối
lớn nhng kém ổn định trong điều kiện khí quyển, dễ bị phong hóa biến đổi thành
khoáng vật thứ sinh bền vững nh các khoáng vật sét và các ôxyt không hòa tan.
Kết quả phân tích hóa học cho thấy, khoáng vật của đá macma đợc thành tạo bởi
hầu hết các loại nguyên tố hóa học, nhng chủ yếu là O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, H,
hình dạng vô định hình, rất khó phân biệt.
Dựa vào kích thớc hạt, kiến trúc của đá macma đợc chia ra:
- Kiến trúc hạt lớn: Khi kích thớc hạt trên 5mm.
- Kiến trúc hạt vừa: Khi kích thớc hạt từ 5- 2mm.
- Kiến trúc hạt nhỏ: Khi kích thớc hạt từ 2,0- 0,2mm.
- Kiến trúc hạt mịn: Khi kích thớc hạt nhỏ hơn 0,2mm.
Ngoài ra, căn cứ vào kích thớc tơng đối của các hạt, kiến trúc của đá macma
đợc chia ra: kiến trúc hạt đều khi các hạt có kích thớc gần nh nhau và kiến trúc hạt
không đều khi các hạt có kích thớc to nhỏ khác nhau.
Mức độ kết tinh của khoáng vật đá macma phụ thuộc điều kiện đông nguội của
dung nham. Đối với đá macma xâm nhập, do đợc thành tạo ở dới sâu, tính dẫn nhiệt
của đá kém, quá trình đông nguội của dung nham kéo dài, các tinh thể có đủ thời gian
để lớn lên và vì thế, đá xâm nhập thờng có kiến trúc toàn tinh hạt lớn và hạt đều. Còn
ở gần mặt đất và trên mặt đất, điều kiện tỏa nhiệt tốt và chịu áp lực thấp nên dung
nham nguội rất nhanh, các tinh thể không kịp kết tinh, chỉ hình thành các tinh thể nhỏ
hoặc kết tinh một số khoáng vật có nhiệt độ kết tinh cao. Do vậy, kiến trúc ẩn tinh,
thủy tinh hay pocfia là những kiến trúc đặc trng cho đá xâm nhập nông và đá phun
trào. Đặc biệt, kiến trúc thủy tinh thờng thấy khi đá macma đợc hình thành từ dung
nham phun ở đáy biển.
Sự kết tinh của khoáng vật tạo đá còn phụ thuộc thành phần của dung nham. Các
dung nham nghèo silic thờng chứa các hợp chất dễ hòa tan, có tính di động lớn, độ
nhớt của dung nham giảm và sự kết tinh đợc dễ dàng hơn.
Đá có kiến trúc toàn tinh, đều hạt có cờng độ và độ ổn định với phong hóa cao
hơn loại kiến trúc thủy tinh, không đều hạt.
Theo sự định hớng của các thành phần khoáng vật trong không gian, có thể chia
cấu tạo của đá macma ra các loại:
- Cấu tạo khối: Đặc điểm của cấu tạo khối là thành phần khoáng vật của đá nh
nhau theo các hớng khác nhau.
- Cấu tạo dải: Trong đá, các khoáng vật sắp xếp theo dạng dải do đợc định
hớng theo phơng di chuyển của dòng dung nham.
trầm tích mảnh vụn đợc dính kết bởi xi măng hay bị nén chặt tạo thành đá thì gọi là
đá trầm tích cơ học. Đá trầm tích sinh hóa hình thành do tác dụng của sinh hóa hay
chính xác là do sinh vật đọng lại cùng với các khoáng chất. Đặc trng của trầm tích
sinh hóa là các di tích sinh vật xen kẹp lẫn lộn và gắn kết với trầm tích hóa học.
1. Thế nằm của đá trầm tích
Khác với đá macma, quá trình hình thành đá trầm tích chịu ảnh hởng rất lớn của
trờng trọng lực. Bởi vậy, thế nằm dạng lớp song song nằm ngang là dạng phổ biến đối
với đá trầm tích. Thế nằm này đặc trng cho môi trờng trầm tích đồng nhất và yên
tĩnh. Thế nằm lớp xiên chéo, lớp vát nhọn thờng gặp trong trầm tích gió và trầm tích
cửa sông.
ở
nơi dòng nớc uốn khúc thờng hình thành thế nằm dạng thấu kính. Thế
nằm dạng lớp của đá trầm tích có ý nghĩa quyết định tới sự ổn định của khối đá. Có thể
phân biệt hai loại thế nằm của đá trầm tích:
- Thế nằm nguyên sinh: Hình thành trong quá trình tạo đá (lớp đá trầm tích nằm
ngang hay hơi nghiêng), thờng thấy trong đá trầm tích trẻ.
- Thế nằm thứ sinh: Thế nằm nguyên sinh đã bị biến đổi do các hoạt động kiến
tạo về sau (lớp đá trầm tích nằm nghiêng hoặc uốn nếp, vò nhàu), thờng thấy trong đá
có tuổi cổ, do đã trải qua nhiều thời kỳ biến động địa chất.
2. Thành phần khoáng vật của đá trầm tích
Thành phần khoáng vật đá trầm tích có nhiều loại, bao gồm:
- Khoáng vật nguyên sinh: Các mảnh đá hay khoáng vật do phong hóa cơ học các
đá có trớc. Chúng là thành phần chủ yếu của đá trầm tích mảnh vụn (cuội, sỏi, cát)
nh thạch anh, fenspat, ziacôn, tuamalin, apatit,
- Khoáng vật thứ sinh: Hình thành từ các khoáng vật nguyên sinh, do bị phân hủy
Copyright: Tài liệu đại học ©