土木工程地质学
第一章
矿物和岩石
1 矿物和岩石
?地球概况?主要造岩矿物?岩浆岩
?沉积岩?变质岩
1.1 地球概况
?人造卫星拍摄的地球照片
2000年12月22日，美国国家航空和航天局
(NASA)的科学家发布了全新的地球图片——数字地球图，以替代以前由“阿波罗”上的宇航员拍摄的地球图。这幅数字地球图采取了1997年从几颗人造卫星上获得的数据，估算人们在卫星轨道上看地球的样子，然后加以艺术创造，在背景上添加了月亮。图中的大风暴显示的是从北美洲西部刮起的
Linda飓风。月亮放大了，有实际比例的两倍。
1.1 地球概况
?地球的形状和大小
?两极半经为6 356.755km?赤道半经为6 378.160km?平均半经为6 371.004km?扁率为?表面积?体积
1 / 298.253510064472km210832*108km3
?赤道一带稍微凸出，南北半球也不对称，加上表面凹凸不平，地球是一个不规则的旋转椭球体，其外形像
一个“梨状体”
?基本上仍是一个圆球
1.1 地球概况
?地球的圈层构造
?地球内部是怎样？？
?为找矿产资源，打钻、开掘各种井巷工程，但一般只能达到几百米至几千米。迄今为止，世界上最深的钻孔，是布置在前苏联的北冰洋滨的科拉半岛上的超深钻，也仅深入地下12000多米。对整个地球说来这只涉及它外壳上极薄的一层。
1.1 地球概况
?地球的圈层构造
?地球物理方法——地球内部的性态，证明地球不是均质体，而是具同心状的圈层构造；
?以地表为界分为内圈和外圈，它们又各自可以再分为几个圈层。
1.1 地球概况
?地球的外部圈层结构
大气圈
水圈
生物圈
包围着固体地球的大气层构成地球表面四分之三以上面积被水体覆盖
生物及其生命活动地带所构成的连续圈层
地球内部的透视
?
透视地球内部靠的是地震波，它们是迄今为止、仅有的能穿越
地球内部的旅行者。
?体波（在物体内部传播）
纵波纵波的速度快总是领先，又称P波横波横波滞后，又称
S波
?面波（在介质表面传播）
?对固体地球表面的破坏最强
各种弹性波的传播速度不同
Ｐ波（纵波）
Ｓ波（横波）
地震
波的传播
?如果记录表明地球的某个部位S波不能通过，说明这里的物质不是固体。因为S波只能在固态物质中传播。
?P波传播时只引起物质疏密的变化，不要求物质具有固定的内部结构，因此在气、液或固态物质中都可以传播。
利用地震波特性分析地球内部物性
?由震源所发出的P波与S波都应该沿着直线传播，传播速度也应该基本稳定。
?可是，当地震波在从一种介质进入另一种介质时，会出现折射或反射的现象。
?如果，地震波的传播是沿着弯曲的路径时，则表示沿途介质
的性质在发生逐渐的改变。
?实际上，地震波在地球内部的传播，既是沿着曲线的路径，又有突变的现象。
?地球内部圈层的划分
根据地震波传播速度的突然变化，先后发现地球内部存在着
个显著的地震波速不连续界面。
其中最主要的不连续界面有2个，称一级界面，分别为：
?莫霍洛维奇界面
?古登堡界面
?7
?1.1 地球概况
?地球的内部圈层结构
?1909年莫霍罗维奇：33km；第一个地震波不连续面：莫霍面；Vp:6-7升高到8Km/s.
?1914年古腾堡：2898km；第二个地震波不连续面；古腾堡面;Vp:13.32将至8.1Km/s；Vs=0.?地壳、地幔及地核。
地球内部结构与地震波速的变化
1.1 地球概况
?地球的内部圈层结构
地壳地慢外核内核1.1 地球概况
?地壳
?地壳是固体地球最外一圈。地壳在陆地上直接暴露出来，
在有水体的地方特别是海洋区则被水圈所覆盖。?占地球总体积的1.55%，总质量占地球总质量的0.8%。
密度2.6－2.9g/cm3。地壳下界为莫霍面，平均厚度33km，最厚的地方是我国的青藏高原，达73km；而海洋部分较薄，约6-8km，平均约6km；?分为：大陆地壳与大洋地壳
1.1 地球概况
?大陆地壳
?大陆地壳称硅铝质层（花岗岩质层），覆盖地球表面的45％，主要表现为大陆、大陆边缘海以及较小的浅海。不连续分布，大洋壳缺此层。
大洋地壳
硅镁层（玄武岩层）；连续分布
地壳可以承受强烈的板块构造运动
????1.1 地球概况
?地幔
?地幔位于莫霍面与古登堡面之间。
?厚度约2850km，占地球总体积的82.3%，总质量占地球总质量的67.8%，是地球的主体部分，密度大致3.0－
5.0g/cm3。
地幔1.1 地球概况
?上地幔
?厚度为20～400km。?地震波速在其内部随深度增加的梯度较小，在60～150 km间。许多
大洋区及晚期造山带内有一低速层，可能是由地幔物质部分熔融造成的。
上地幔1.1 地球概况
?过渡层
?在400km和670km深处存在两个不连续的面，其间称为地幔过渡层。?地震波速随深度加大的梯度大于其它两部分。?由橄榄石和辉石的矿物相转变吸热降温形成的。
过渡层1.1 地球概况
?下地幔
?厚度为670km ～2900km。
?目前认为下地幔的成分比较均一。?但因处于极端高温
和高压环境，地幔岩石呈现为塑性状态。
1.1 地球概况
?软流圈
?在上地幔上部，存在一个地震低速层，深度一般在地表以下60km～
250km。在低速层内，地震波速比上部减少5%－10%，表明该处岩石强度较低，可能局部熔融。这个低速层被称为软流圈。
?岩石圈
?软流圈以上、岩石强度较大的部分，包括地壳和上地幔顶部，即称为岩石圈。从板块构造角度，岩石圈定义为：地球的刚性外壳层，是由一些能够相互独立运动的离散型板块构成的。概而言之，板块这种组
合就成为岩石圈。
1.1 地球概况
?地核
?地核位于古登堡面之下，其体积占地球总体积的670km～2900km，总质量占地球总质量的31.3%，密度大致9.98－12.5g/cm3。
?地震波经过古登堡面后，纵波速度骤减，横波消失，
表明物质组成、物理状态和密度发生了急剧变化。推测主要由铁镍合金组成。?以5100km：内、外地核
1.2 主要造岩矿物
?地壳中的元素与克拉克值
?美国人克拉克最早测定了地壳中元素的平均含量，他根据世界5159个岩石样品，求出了16Km厚地壳内50种元素的平均含量。?国际上把元素在地壳中平均质量分数％，称克拉克值，又称地壳元素的丰度(abundance)。
元素氧O克拉克值46.95钠元素Na克拉克值2.78硅铝铁钙SiAlFeGa27.888.135.173.65钾镁钛氢KMgTiH2.582.060.620.141.2 主要造岩矿物
?矿物
?地壳中自然产出的具有一定的化学成分和物理性质的自然元素和化合物，通常是无机作用形成的均匀固体。
?矿物是岩石的组成单位，岩石是矿物的天然集合体。?地球上已发现矿物3300多种，加上异种、变种达7000种。
1.2 主要造岩矿物
金刚石
自然金狗头金
——1.2 主要造岩矿物
天然矿物——自然铜
1.2 主要造岩矿物
水晶——石英
1.2 主要造岩矿物
?矿物的特征
①矿物可以由一种单质元素组成。如自然金、自然铜、自然硫、石墨等；绝大多数由几种元素的化合物，如石盐、石膏、石英等。②有比较固定的化学成分组成。如黄铁矿是由FeS2、方解石由CaCO3、石英由SiO2、岩盐是由NaCl组成的。
③绝大多数具有一定的内部结构和构造，以及一定的外部形态。如石盐内部质点呈有规律的空间排列。④具有一定的物理性质和化学性质。
⑤绝大多数矿物呈固态出现，但仅少数以液态（自然汞）或气态产出（天然气）。
⑥矿物一般多数为无机矿物，有机矿物很少。
1.2 主要造岩矿物
?矿物晶体与非晶质体
?固态矿物根据其内部结构可分为晶质体与非晶质体。?矿物内部质点（包括原子、离子、分子等）呈有规律的排列、具一
定的结晶格子特征和一定的几何外形的称为晶体。如石英、岩盐、方解石等。如盐岩（NaCl）晶体内部的Na+离子和Cl－离子，在三维方向的空间上呈等间距相隔重复排列，组成立方格子结构，其外
形呈立方体状。
?矿物内部质点不作有规律的排列、不具有结晶格子特征，而且几何
外形不固定的称为非晶质体。如天然玻璃、蛋白石、琥珀等。
自然界中绝大多数是晶质矿物，随仪器精度提高过去许多以为是非晶质的矿物其实是“隐晶质”。
1.2 主要造岩矿物
?矿物分类
①自然元素矿物。如自然金、自然铜、石墨等
②硫化物及其类似化合物矿物。如黄铁矿FeS2、黄铜矿CuFeS2、方铅矿PbS、闪锌矿ZnS
③氧化物及氢氧化合物矿物。石英SiO2、赤铁矿Fe2O3、磁铁矿
Fe3O4、褐铁矿FeO(OH)或FeO(OH)·nH2O④卤化物矿物。石盐NaCl、萤石CaF2。
⑤含氧盐矿物（硅酸盐、碳酸盐为主）。橄榄石(Mg，Fe)2(SiO4)、辉石(Na，Ca)(Mn，Fe，Mg，Al)[(Si，Al)2O6]、角闪石、云母、长石、石膏
二、自然界中的矿物玉(jade)
?古人不知道它是什么成分，经过现代技术手段测定，才知道玉不是矿物?而是矿物的集合体，即岩石一类?大多为透闪石(Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2) 或阳起石(Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2）一类，成纤维状，非常细微
二、自然界中的矿物宝石
?宝石（gem）有广义和狭义之分。广义的宝石泛指一切美丽而珍贵的石料，我国学者用“贵美石”一词替代，一般认为它应具有瑰丽、稀罕和耐久三个特性。?狭义：达到宝石级别的矿物单晶体。自然界中色泽艳丽、透明无瑕、硬度大、化学性质稳定，或者是透明度稍差，但具特殊光学效应，粒度大于3mm以上的单矿物晶体称为宝石。二、自然界中的矿物卡门露西亚达碧兹祖母绿非洲之星
全球第一大的钻石原石TheCullinan非洲之星（Cullian）是在1905年于南非Premier矿场中发现，重量高达3106carats。由于原石太大，需分解成若干块。库利南被劈开
后，由三个熟练的工匠，每天工作14小时，磨了8个月。一共磨成了9粒大钻石和96粒小钻石。这105粒钻石总重量1063．65克拉，为库利南原重量的34.25%。其中最大的一粒名叫“非洲之星第Ⅰ（CullianⅠ）”，水滴形，重530.2克拉。它有74个刻面，镶在英国国王的权杖上，现被珍藏于英国的白金汉宫。次大的一粒叫做“非洲之星第Ⅱ（CullianⅡ）”，方形，64个面，重317.40克拉，镶在英帝国王冠上。
1.2 主要造岩矿物
?工艺矿
?性质
?成分与性质与自然矿
物类似
?人工合成物或称为人造矿物?作用
?矿物的替代品
?优于天然矿物的性能
1.2 主要造岩矿物
?矿物的物理性质?形态特性?光学性质
颜色、条痕、光泽、透明度?力学性质
解理、断口、硬度、比重
?其它
导电性、发光性、放射性、延展性、带电性等。
1.2 主要造岩矿物
?矿物的形态
?外部形态由化学性质及内部结构决定的，同时受环境的制约。
?不同的矿物形态各异，相同的条件下形成的同种矿物形态相同，称为结晶习性。
?矿物的形态有单体形态、集合体形态。?形态是矿物的鉴定标志之一。
1.2 主要造岩矿物
?单体形态
???
一向伸长:晶体一个方向伸长成，柱状、针状、纤维状。二向伸长:晶体面状发育成，板状、片状。三向等长:晶体发育成，等轴状、粒状
柱状电气石
片状云母
粒状石榴子石
1.2 主要造岩矿物
柱状辉锑矿（Sb2S3）
绿柱石
（铍-铝硅酸盐矿物Be3Al2(SiO3)6）
针状孔雀石（碱式碳酸铜，Cu?(OH)?CO?）
?柱状、板状正长石
?片状云母
?立方体黄铁矿（FeS2）（愚人金，条痕黑色）
?菱面体方解石（CaCO3）（纯净透明：冰洲石）
?菱形十二面体石榴子石（A3B2[SiO4]3；化学式中A代表二价阳离子，
主要有镁、铁、锰和钙等；B代表三价阳离子，主要有铝、铁、铬、钛等。镁
铝榴石主要产于基性岩、超基性岩中。金伯利岩中的镁铝榴石以含铬高为特征，
是寻找金刚石的指示矿物。铁铝榴石是典型的变质矿物，常见于各种片岩和片
麻岩中。钙铁榴石和钙铝榴石是夕卡岩的主要矿物，钙铬榴石产于超基性岩中，是寻找铬铁矿的指示矿物。
常林钻石（ChangLin diamonds）是我国现存最大的一颗天然钻石，于1977年12月由农民魏振芳于山东省临沂市临沭县常林村发掘。
中国科学院鉴定：常林钻石重158.786克拉，长17.3毫米，颜色呈淡黄色，质地纯洁，透明如水，晶莹剔透。晶体形态为八面体和菱形十二面体的聚形，比重3.52，它在世界上也是罕见的，常林钻石对于地球科学的研究、寻找原生矿、以及研究天然金刚石形成的环境等都具有重要的意义。常林钻石是我国继金鸡钻石发现以来的第二块超过100克拉的天然大钻石。是我国的重要国宝，现收藏于中国人民银行。我国发现的最大钻石是金鸡钻石，重
281.25克拉，于1937年在山东省临沂市郯城县李庄乡发现，后被日本驻临沂县的顾问掠去，至今下落不明。
工程地质与水文地质-第1章 矿物 13-9-1 - 图文
