Sổ tay thực tập và bài tập địa chất công trình: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

296
lượt xem 105
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung phần 1 Tài liệu trình bày các nội dung: Nhận biết khoáng vật và đất đá; xác định các chỉ tiêu cơ lí của đất đá; thí nghiệm địa chất công trình ngoài trời; thực tập đo vẽ địa chất công trình; bài tập tính chất vật lí, cơ học của đất đá.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sổ tay thực tập và bài tập địa chất công trình: Phần 1

NGUVẼM UYÊN THỰC TẬP VÀ BÀI TẬP DỊA CHAT CÔNG TRÌNH ■ (fầìbẳn) NHÀ XUẤT BẢ N XÂY DỰNG HÀ NỘI - 2011
LỜI GIỚI THIỆU T ro n g các trư ờ ng Đ ại học thuộc n h ó m n g à n h xâ y d ự n g n h ư T h u ỷ lợi, G iao th ô n g , X â y dự ng, K iế n trúc, ... Đ ịa c h ấ t công tr ìn h là m ô n học cơ sở c u n g cấp các k iế n th ứ c đ ịa ch ấ t cầ n th iế t cho k ĩ s ư x â y d ự n g c ủ n g n h ư các k iế n th ứ c cơ b ả n đ ể học tiế p các m ôn học Cơ học đ ấ t, Cơ học đá, K ĩ th u ậ t n ền m óng... và các m ô n học c h u y ê n m ôn: T h u ỷ công, T h i công, c ầ u đường, X â y d ự n g ,... K h á c với các s in h viên c h u y ê n n g à n h Đ ịa c h ấ t công tr in h đ i sâ u vào b ả n c h ấ t tín h c h ấ t đ ấ t đ á , các h iệ n tư ợ n g đ ịa chất, các p h ư ơ n g p h á p k h ả o sá t và lậ p h ồ sơ, tà i liệ u Đ ịa c h ấ t công tr ìn h , với các sin h viên c h u yên n g à n h xâ y d ự n g th i có các y ê u cầ u củ a m ô n học Đ ịa c h ấ t công trìn h n h ư sau: 1. H iế u được th ê n ào là các đ iề u k iện đ ịa ch ấ t công tr ìn h củ a k h u vực x â y dự n g , ý n g h ĩa của từ n g đ iề u k iện n h ư đ ịa h ìn h - đ ịa m ạo, cấ u trú c đ ịa ch ấ t, đ ịa c h ấ t th u ỷ văn, các h iệ n tư ợ ng đ ịa c h ấ t đ ộ n g lực công trìn h , v ậ t liệ u x â y d ự n g đ ịa p h ư ơ n g đ ế n s ự là m việc ổn đ ịn h c ủ n g n h ư k in h tê củ a công tr in h , từ đ ó ngư ời k ĩ s ư x â y d ự n g có thê’ lự a chon vi tr í x â y d ự n g tốt n h ấ t, k iế n n g h ị các biện p h á p công tr ìn h , biện p h á p th i công h(ýp lí với đ iề u k iện đ ịa c h ấ t công tr in h nơi đ ã lự a chọn. V i đối tượng của m ô n học đ ịa ch ấ t công tr in h là các v ậ t t h ể (đ ấ t đá, nước dưới đất), các h iện tư ợ ng đ ịa ch ấ t tồn tạ i rấ t đ a d ạ n g tro n g tự n h iê n n ê n s in h viên rấ t k h ó h ìn h d u n g k h i n g h e g iả n g lí th u y ế t ở trên lớp, m à cần trự c tiếp q u a n sát, m ô tả các m ẫ u đ ấ t đá, ho á đ á ở trong p h ò n g c ủ n g n h ư các lớp đ ấ t đá, các biến đ ộ n g đ ịa c h ấ t (uốn nếp, đ ứ t gãy, n ứ t nẻ...), các h iện tượng đ ịa c h ấ t (p h o n g h o á cactơ, trượt lở...), các m ạ ch nước, g iế n g nước,... tro n g các h à n h tr ìn h đ ịa chất. C ác t h í n g h iệ m tín h c h ấ t cơ lí của đ ấ t ở trong p h ò n g c ủ n g n h ư ở ngoài trời g iú p cho s in h viên h iểu rõ b ả n ch ấ t các đ ạ i lưựng, các c h ỉ tiêu xâ y d ự n g d ù n g k h i th iế t kế, th i công công trìn h . Các nội d u n g n à y được tr ìn h bày tro n g P h ầ n th ứ n h ấ t T h ự c tậ p m ô n học đ ịa c h ấ t công trin h tro n g p h ò n g (chương 1 - N h ậ n biết k h o á n g v ậ t và đ ấ t đá, ch ư ơ n g 2 - X á c đ ịn h các tín h c h ấ t cơ lí của đ ấ t) và P h ầ n th ứ hai. T h ự c tậ p m ô n học đ ịa c h ấ t công tr in h ở ngoài trời (chương 3 - T h í n g h iệm đ ịa ch ấ t công tr ìn h ở ngoài trời. C h ư ơ n g 4 - Thự c tậ p đo vẽ đ ịa ch ấ t công trìn h ) của cuốn s á c h này. 2. Đọc và s ử d ụ n g các tài liệ u đ ịa c h ấ t công tr ìn h n h ư b ả n đồ, m ặ t cắ t đ ịa c h ấ t cô n g trin h , cột đ ịa tầng, báo cáo đ ịa c h ấ t công trìn h ,... tro n g k h i th iế t k ế th i công 3
công trìn h . Y ê u c ầ u n à y được đ á p ứ ng trong nội d u n g chư ơng 4 - Thự c tập đo vẽ đ ịa c h ấ t công tr in h và chương 8 - B à i tậ p b ả n đồ, m ặ t cắ t đ ịa chất, đ ịa c h ấ t công trìn h . Các bài tậ p từ 8.1 đến 8.21 g iú p cho s in h viên là m quen cách đọc bản đ ồ đ ịa chất, còn các bà i tậ p từ 8.22 đ ến 8.35 tỉm h iể u cách đ á n h g iá đ iề u kiện đ ịa c h ấ t công tr ìn h cho m ộ t s ố d ạ n g công trin h : đập, n h à ở, đường, cầu, công tr in h n g ầ m theo các tà i liệu đ o vẽ đ ịa h ìn h , k h ả o sá t đ ịa c h ấ t công tr in h đ ã th u th ậ p được. 3. Các nội d u n g l í th u y ế t cơ bản theo cuốn g iá o trìn h "Địa c h ấ t công trin h " đ ã được B ộ Đ ạ i học và T r u n g học chuyên n ghiệp xét d u y ệt cho n h ó m n g à n h x â y dự ng, N h à x u ấ t b ả n Đ ạ i học và T ru n g học ch u yên nghiệp x u ấ t bản n ă m 1980 và cuôh "Cơ sở Đ ịa chất, cơ học đ ấ t và N ề n m ó n g công trìn h " củ a tác g iả , N h à x u ấ t bản X â y d ự n g x u ấ t b ả n n ă m 2004. T rong P h ầ n th ứ ba. B à i tậ p đ ịa c h ấ t công tr ìn h của cuốn T h ư c t â p v à B à i t â p đ i a c h ấ t c ô n g t r ì n h n à y có chương 5 - B à i tậ p tín h c h ấ t v ậ t lí, cơ học c ủ a đấ t; chương 6 - B à i tậ p các h iện tượng đ ịa c h ấ t đ ộ n g lực công tr ìn h và c h ư ơ n g 7 - B à i tậ p N ước dưới đ ấ t, n h ằ m g iú p cho s in h viên h iể u rõ các h iệ n tư ợ n g đ ịa chất, các đ ạ i lượng, các công thức, g iú p cho họ h iể u sâ u hơn nội d u n g l í th u y ế t đ ã học. H y v ọ n g cu ố n T h ự c t ậ p v à B à i tậ p đ ị a c h ấ t c ô n g t r ì n h n à y đ ó n g góp p h ầ n n à o cho việc tạo h ứ n g th ú cho s in h viên k h i học tập m ô n Đ ịa c h ấ t công tr ìn h q u a các d ạ n g th ự c tập, bà i tập kh á c n h a u , p h o n g p h ú sát với thực tiễn. R ấ t m o n g n h ậ n được ý k iê n đ ó n g góp, p h ê b ìn h của các g iả n g viên, các bạn s in h viên... đ ể tác g iả có th ê sử a chữa, bô s u n g các nộ i d u n g cầ n th iế t cho lầ n x u ấ t b ả n sau. M ọi g ó p ý x in g ử i về: P h ò n g B iên tậ p sách kh o a học k ĩ th u ậ t, N h à X u ấ t b ả n X â y dự ng, 3 7 L ê Đ ạ i H à n h , H à N ội. Đ iện thoại: 04.9741954. H à N ội, tháng 01 năm 2007 np / __ » 2 rá c giá N guyễn Uyên 4
Phần thứ nhất THỰC TẬP MÔN HỌC BỊA CHẤT CÔNG TRINH TRONG PHỒNG ■ ■ m m Phần này gồm có 2 chương sau: Chương 1. Nhận biết khoáng vật và đất đá Chương này nhằm giúp cho sinh viên nhận biết các tính chất vật lí của khoáng vật, các đặc trưng về kiến trúc, cấu tạo của ba nhóm đất đá có nguồn gốc khác nhau: macma, trầm tích và biến chất. Sơ bộ phân biệt ba nhóm đá và một số loại đá chính thường gặp trong mỗi nhóm cũng như hiểu tĩnh chất xây dựng của đất đá vì sao lại phụ thuộc các đặc trưng đó của đất đá. Chương 2. Xác định các tính chất cơ lí của đất Giới thiệu cách lấy mẫu, bảo quản mẫu đất và các phương pháp xác định tính chất vật lí (dung trọng, tỉ trọng, độ rỗng, độ ẩm, độ mao dẫn, độ thấm nước) cũng như phương pháp xác định tính chất cơ học của đất (tính ép co, cường độ chống trượt). 5
Chương 1 NHẬN BIẾT KHOÁNG VẬT VÀ ĐÂT ĐÁ 1.1. NHẬN BIẾT K H O Á NG VẬT BẰNG MẮT Khoáng vật là thành phần cơ bản tạo nên đất đá: đất đá là tập hợp các khoáng vật được sắp xếp theo một quy luật nhất định thành tạo nên vỏ quả đất. Nhận biết khoáng vật giúp cho ta nhận biết đất đá cũng như đánh giá phần nào tính chất xây dựng của đất đá. Có nhiều phương pháp nthận biết khoáng vật: bằng mắt thường, bằng kính hiển vi phân cực, hiển vi điện tử, phương pháp Rơnghen, phương pháp nhiệt... Sau đây chỉ trình bày cách nhận biết sơ bộ bằng mắt thường (hoặc qua kính lúp) dựa trên tập hợp những tính chất vật lí'của khoáng vật như hình dạng tinh thể và dạng tập hợp, màu, độ trong suốt và ánh, tính dễ tách, vết vỡ, độ cứng, tỉ trọng,... 1.1.1. Các tính chất vật lí của khoáng vật H ìn h dạ n g tin h t h ể c ủ a k h o á n g vật Các loại khoáng vật khác nhau, khi kết tinh thường cho các dạng tinh thể khác nhau, hình dạng tinh thể phản ánh kiến trúc bên trong của khoáng vật (kiến trúc tinh thể). Theo lí thuyết, có tới 230 dạng kiến trúc tinh thể khác nhau, cho nên có tới 230 dạng tinh thể khác nhau, nhưng dựa vào số lượng trục tinh thể (đường tưởng tượng xuyôn qua tinh thể, nối liền tâm của các bề mặt tinh thể ở hai phía đối diện nhau của tinh thể) và góc giữa các trục, có thể nhótm các tinh thể thành bảy hệ tinh thể (hình 1.1). Trong địa chất công trình thường quan tâm tới đặc tính không gian của hình dạng tinh thể và chia chúng thành 3 loại tương đối như sau: Loại hình phát triển theo một phương: tinh thể có dạng hình cột, hình que, hình sợi tóc... ví dụ như tuamalin, amifibon, atbet... Loại hình phát triển theo hai phương: tinh thể có dạng hình tấm, vẩy, lá... ví dụ như mica, clorit, bentonit... Loại hình phát triển theo ba phương: tinh thể có hình hạt, ... ví dụ như halit, pirit, granat,... Sự sắp xếp bên trong đặc thù của các nguyên tử trong mỗi khoáng vật quyết định bề mặt tinh thể mà nó biểu lộ. Các tinh thể được hình thành một cách chậm chạp bằng cách 6
nối thêm các ô mạng đom vị của khoáng vật tại các mặt ngoài. Khi không bị chèn ép bởi sự lớn lên của các tinh thể lân cận thì bề mặt của tinh thể mới phẳng nhẵn, phát triển hoàn chỉnh (hình 1.2). Lâp phương Ba *rvc bằng nhau và vuông góc với nhau Granat Manhêtit Halit, pirit Hai trục bằng nhau, Tứ phương truc thứ ba dai hoặc ngắn hơn, tất cả vuông góc với nhau Ziricon \ Trực thoi Ba trục không bằng nhau, tất cả vuông góc với nhau _ 1 Olivin Aragonit Thạch cao khan Gơtit Ba trục không bằng nhau, Một nghiêng hai trục vuông góc với nhau, U J / ỳ .‘ : trục thứ ba vuông góc với một trục Mica Thạch cao V3 Xiên QOC VỚI trục ki3 Piroxsn, khoánơ vât sét Octocl3 amíibon a R i Ba nghiêng B? t y c không bằng nhau 3 3 và xiên góc với nhau Plagiocla Kianit Ba trục bằng nhau, cùng nằm trong một mặt phẳng I I Ba phương và và cat nhau theo góc 60° sáu phương trục thứ tư dài hoặc ngắn hơn và vuông góc với mặt phẳng Thach anh Canxit Hematit chứa 3 truc kia H ìn h 1.1: Bảng hệ tinlì th ể cùng với dạng tinh th ể các khoáng vật đại diện Đá chứa khoáng vật dạng que, dạng sợi thì kém giòn, dị hướng cao, chứa khoáng vật dạng tấm thì giòn, thường có cấu tạo phiến, lớp điển hình; chứa khoáng vật dạng hạt thì dỗ đồng nhất và đẳng hướng trong nhiều tính chất vật lí, cơ học. Trong thực tế có đá gồm chủ yếu là các khoáng vật tấm (đá phiến mica, đá sét...), nhiều đá lại chủ yếu gồm các khoáng vật dạng hạt (đá hoa, granit, cát kết) trong khi một số có cả khoáng vật dạng tấm và dạng hạt như đá granit hai mica, đá cát pha sét,... Trong thiên nhiên ít thấy đơn tinh thể phát triển hoàn chỉnh mà thường là tập hợp tinh thể ở dạng: tóc, phóng xạ, trứng cá, hạt đậu, dạng đất,... chen kẹp lẫn nhau. 7
H ình 1.2: M ột sô'hình d a n 'ị tinh th ể khoáng vật hoàn chỉnh a) Thạch anh; b) G ranat; c) C ấu trúc cùa lialit (ÌO II clo - hình cấu IỚIÌ, ion Iia tri - lùiili cầu nhỏ) M à u của k h o á n g vật Màu của khoáng vật do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết định. Khoáng vật chứa nhiều Fe. Mg thường có mầu sầm, còn khoáng vật chứa nhiều Al, Si thì màu nhạt. Nhiều khoáng vật chỉ có một màu cố định như clorit có màu lục, limonit có màu nâu. Khi có lẫn tạp chất, khoáng vật mang nhiều màu sắc khác nhau như thạch anh có thể không màu, tím, đen, nâu, vàng... Khi quan sát màu khoáng vật cần chú ý tới điều kiện ánh sáng, trạng thái mặt ngoài của các khoáng vật. Khi vạch một khoáng vật lên tẩm sứ nhám, chúng để lại một vết vạch có màu đặc trưng cho bột khoáng vật ấy. Thường màu của khoáng vật và màu vết vạch khác nhau: Hêmatit có màu vàng xám nhưng vết vạch lại có màu đỏ, pririt màu vàng thau nhưng vết vạch lại màu đen. Đôi khi màu vết vạch và màu khoáng vật giống nhau như manhêtit cùng có màu đen hoặc thần sa cùng có màu đỏ. Nhưng nhìn chung màu của bột khoáng vật (vết vạch) ít thay đổi so với màu của khoáng vật, vì vậy nó thường là một dấu hiệu đáng tin cậy để nhận biết khoáng vạt. 8
Màu của khoáng vật quyết định màu của đá, do đó có ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ nhiệt của đá. Đá chứa nhiều khoáng vật màu sẫm có độ bền phong hoá thấp hơn. t ìộ tro n g s u ố t và á n h của k h o á n g vật Đ ộ trong suốt của khoáng vật là khả năng cho ánh sáng xuyên qua khoáng vật. Độ trong suốt của khoáng vật phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của khoáng vật và các tạp chất chứa trong nó. Dựa vào mức độ trong suốt của khoáng vật ta chia các loại: - Trong suốt: thạch anh, thuỷ tinh, spat băng đảo; - Nửa trong suốt; thạch cao, síalerit; - Không trong suốt; pirit, manhêtit, grafit. Một phần ánh sáng chiếu lên khoáng vật còn bị phản xạ trên mặt khoáng vật để tạo thành ánh của khoáng vật. Cường độ của ánh phụ thuộc vào chiết suất và đặc trưng bề mặt của khoáng vật và hầu như không phụ thuộc vào màu của nó. Các khoáng vật tạo đá có các loại ánh đặc trưng sau: ' Ánh thuỷ tinh: thạch anh, canxit, fenpat, anhidrit; - Ánh tơ: tiêu biểu cho khoáng vật dạng sơ như atbet; - Ánh đất: đặc trưng cho khoáng vật có nhiều lỗ hổng của táng đất bột, đất kaolin; ' Ánh xà cừ: mica...; - Ánh kim: pirit và các khoáng vật kim loại khác: galen (hình 1.3). Người ta xác định ánh trên những mặt vỡ còn mới và bằng phẳng của khoáng vật. H ình 1.3: Khoáng vật galen T ín h d ễ tách (cát k h a i) của k h o á n g vật c° ánh kim 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. Mặt tách thường song song với những mặt mạng của tinh thể có khoảng cách lớn, ở đó có mối liên kết yếu nhất. Người ta chia khoáng vật có tính dễ tách ra các mức độ sau: Rất hoàn toàn: tinh thể có khả năng tách theo các mặt tách một cách dễ dàng, ví dụ m uscovit theo một phương (hình 1.4a); Hoàn toàn: dùng búa đập nhẹ sẽ vỡ theo các mặt tách tương đối phẳng, ví dụ như dễ tách theo ba phương: lập phương của halit (hình 1.4b), hình thoi của canxit (hình 1.4). Trung bình: trên những mặt vỡ của tinh thể vừa thấy những mặt tách tương đối hoàn chỉnh, vừa thấy vết vỡ không bằng phẳng theo các phương khác nhau, ví dụ như piroxen, amíibon...; 9
Không hoàn toàn: khó thấy mặt tách mà thường là vết vỡ không có quy tắc, ví dụ nlư thạch anh... vì vậy còn gọi là tính không tách của khoáng vật. 0 1 2 3 cm c) „ I I I I H ình 1.4: Mức độ dễ tách của khoáng vật a) Rất hoàn toàn tlieo một phương (muscovit); b) hoàn toàn lập phương (Italil); c) Hoàn toàn hình tlioi (canxit)- Không hoàn toàn: khó thấy mặt tách mà thường là vết vỡ không có quy tắc, ví dụ như thạch anh... vì vậy còn gọi là tính không tách của khoáng vật. Khoáng vật có thể tách được theo một, hai hoặc ba phương, và mỗi phương mức độ dễ tách có thể không giống nhau. Tính dễ tách chỉ có ở vật chất kết tinh. Đá chứa khoáng vật có tính dễ tách thì giòn, cường độ giảm đi. V ết vỡ của k h o á n g vật Mặt vỡ không theo quy tắc của khoáng vật khi bị đập H ình 1.5: Opxidian, một loại Itliủ gọi là vết vỡ. Dựa theo hình dạng vết vỡ có thể chia ra: tinh Iiúi lửa có vết vỡ dạng vỏ s< 10
- Vết vỡ phẳng: vỡ theo các mặt dễ tách; - Vết vỡ dạng vỏ sò: vết vỡ của thạch anh, thuỷ tinh núi lửa (opxidian) (hình 1.5); - Vết vỡ dạng đất: vết vỡ tựa như đất bột, ví dụ như vết vỡ của kaolinit; - Vết vỡ sần sùi: bề mặt vết vỡ sần sùi như vết vỡ của thạch anh dạng trụ. N iư vậy mặt dễ tách cũng chính là một mặt vỡ của khoáng vật. Độ cứ n g của kh o á n g vật Độ cứng là khả năng chống lại tác dụng cơ học bên ngoài (khắc, rạch) lên bề mặt của khoáng vật. Tính chất này có liên quan đến kiến trúc và sự liên kết giữa các chất điểm của ihoáng vật. Sự liên kết càng chắc thì độ cứng càng cao. Q hai kiểu liên kết: liên kết ion được hình thành khi một nguyên tử cho một nguyên tử cỉa nguyên tố khác một hoặc nhiều điện tử (hình 1.6a) và liên kết đồng hoá trị - một số điện tử trở thành của chung giữa các nguyên tử để hoàn chỉnh lớp vỏ ngoài cùng (hình 1.6 b . Kim cương và than chì đều tạo thành từ cacbon nhưng có độ cứng khác nhau lớn là dc trong kim cương, nguyên tử cacbon tạo thành khung ba chiều, mỗi nguyên tử liên kết nạnh với bốn nguyên tử kế cận (hình 1.7a), còn cấu trúc của than chì là liên kết mạnầ giữa mỗi nguyên tử cacbon với ba nguyên tử lân cận nằm trong một mặt phẳng, còn iên kết giữa các lớp rất yếu (hình 1.7b). ♦1 /*ZL ỉon Na ^ (nhừmg 1 điện tử, ^(11-)) vỏ ngcãi cỏn 8 điện tử) ^ / ĩ / Tổnc sô' 10 điện tư Tổng số 18 điện tữ (vỏ ngoài có 4 điện tử + 4 điện tử chung với hydro) Hình 1.6: Các kiểu liên kết nguyên tử p h ổ biến ở klioáng vật a) Liên kết ion (nhường điện tủ); b ) Liên kết đồng hoá trị (điện tử dùng chung) Đề đánh giá độ cứng tương đối của khoáng vật, người ta dùng thang độ cứng Mohs (Mo>ơ) gồm có 10 khoáng vật tiêu chuẩn tương ứng với cấp độ cứng thay đổi từ 1 đến 10: 1.Tan 6. Octocla 2. Thạch cao 7. Thạch anh 3. Canxit 8. Topa 4. Fluorit 9. Corindon 5. Apatit 10. Kim cương 11
Đầu nhọn của khoáng vật có độ cứng cao có thể rạch được tất cả các khoáng vật khác nằm ở phía trước nó trong thang độ cứng (có số thứ tự bé hơn). Đ ộ cứng tuyệt đối của một sô' khoáng vật được xác định bằng máy đo độ cứng TMT-2 là: tan-2,4kG/mm2, canxit - 109 kG/mm2, thạch anh - 1120 kG/mm2; kim cương - 10060 kG/mrrr. Như vậy kim cương cứng hơn tan không phải 10 lần mà là 4000 lần. Trong thực tế có thể xác định độ cứng tương đối của khoáng vật bằng các phương tiện đơn giản như: móng tay có độ cứng 2,5; lưỡi dao sắt 3 -ỉ- 3,5; mảnh kính 5 -ỉ- 5,5; lưỡi dao thép 6 -f 6,5. Tuyệt đại bộ phận khoáng vật có độ cứng từ 2 đến 7. Các khoáng vật tạo đá thường có độ cứng nhỏ hơn 7. Đá chứa khoáng vật có độ cứng cao thường có cường độ lán. T ỉ trọ ng của k h o á n g vật Tỉ trọng của khoáng vật thay đổi trong phạm vi H ình 1.7: C ấu trúc bền trong của tương đối lớn. Những khoáng vật tạo đá có tỉ trọng từ kim cương (a) và than chì (b ) cả hai 2,5 đến 3,5 (bảng 1.1). Theo tỉ trọng, khoáng vật cấu tao hoàn toàn từ cacbon được chia ra làm 3 nhóm: Nhẹ: khi tỉ trọng nhỏ hơn 2,5; Trung bình: khi tỉ trọng từ 2,5 đến 4; Nặng: khi tỉ trọng lớn hơn 4. Bảng 1.1. Tỉ trọng của một số khoáng vật tạo đá chính Khoáng vật Tỉ trọng Khoáng vật Tỉ trọng Thạch anh 2,65 4- 2,66 Plagiocla 2,60 - 2,78 Canxit 2,71 -2 ,7 2 Muscovit 2,50 + 3,10 Đolomit 2,80 + 2,99 Biotit 2,69 3,40 Anhiđrit 2,50 Hr 2,70 Piroxen 3,20 + 3,60 Thạch cao 2,30 - 2,40 Amfibon 2,99 + 3,47 Octocla 2,50 + 2,62 Olivin 3,18 -7- 3,45 Tỉ trọng phụ thuộc vào thành phần hoá học và cấu trúc của tinh thể. Tỉ trọng lớn khi khoáng vật chứa nguyên tố nặng và có sự sắp xếp nguyên tử chặt. 12
Ngoài những tính chất trên, khoáng vật còn có một số tính chất vật lí khác như: từ tính, tính đàn hồi, tính uốn cong, tính dẻo... Đ ó là nhũng dấu hiệu để nhận biết khoáng vật cũng như quyết định các tính chất vật lí, cơ học của đá. Một số khoáng vật có tính chất rất đặc biệt, dễ thấy, giúp đắc lực cho việc nhận biết chúng như có khoáng vậtsờ trơn tay (tan) hay ráp (đá phấn); có mùi đặc trưng (lưu huỳnh, kaolinit) hay khi gõ thì phát ra âm thanh độc đáo (xeruxit)... Khi xác định khoáng vật không chỉ dựa trên các tính chất vật lí một cách rời rạch mà cần có sự tổng hợp các tính chất vật lí đó để rút ra các đặc trưng chủ yếu của từng loại khoáng vật. 1.1.2. Phân loại khoáng vật và mô tả một sô khoáng vật tạo đá chính Khi nghiên cứu khoáng vật, người ta thường phân loại chúng theo thành phần hoá học với 9 lớp sau: Lớp 1: các nguyên tố tự nhiên, như đồng (Cu), bạc (Ag)... Lớp 2: suníua, như pirit (FeS^)... Lớp 3: halogenua, như halit (NaCl)... Lớp 4: cacbonat, nhưcanxit (CaCO,)... Lóp 5: suníat, như thạch cao (C aS04.2H20 )... Lóp 6: fotfat, như fotfat (CaP2õ 5)... Lớp 7: oxit, như thạch anh (S i0 2)... Lóp 8: silicat, như octocla K[A1Sì3O ịị]... Lóp 9: hợp chất của hữu cơ, như CH4... Trong các lớp đó người ta còn dựa vào cấu trúc tinh thể để chia ra các lớp phụ và các nhóm. Dưới đây ta mô tả các khoáng vật tạo đá chủ yếu: L ó p silicat Lớp silicat có gần 800 khoáng vật chiếm 75% trọng lượng vỏ quả đất. Chúng thường có màu sặc sỡ và có độ cứng lớn. Các nhóm thường gặp trong lớp silicat gồm có: nhóm íenpat, nhóm mica, nhóm amfibon, nhóm piroxen, nhóm olivin, nhóm tan, nhóm clorit và nhóm sét... 1. Nhóm fe n p a t Fenpat là allumosilicat Na, K và Ca được thành tạo khi macma kết tinh. Thành phần của chúng có thê biểu thị bằng công thức: Na[AlSi30 8]; K[AlSi30 8]; Ca[Al2Si20 8] Tuỳ theo thành phần hoá học ta chia ra íenpat natri - canxi và íenpat kali. Fenpat chủ yếu có nguồn gốc macma, đôi khi có nguồn gốc biến chất. 13
F enpat natri - canxi còn gọi là plagiocla (tiếng Hy Lạp là vỡ nghiêng). Chúng gồm những khoáng vật hỗn hợp đồng hình liên tục của anbit N a[A lSi30 8] và anoctit Ca[Al2Si20g]. Plagiocla khi có tinh thể đẹp, chúng thườngcó dạng tấm vàlãng trụ tấm. Màutrắng hoặc trắng xém, đôi khi có sắc lục phớt xanh, phớtđỏ; ánh thuỷtinh;độ cứng 6 4- 6,5. Dễ tách hoàn toàn theo hai phương tạo với nhau một góc từ 86°24' đến 86°50'. Tỉ trọng thay đổi từ 2,61 (anbit) đến 2,76 (anoctit). F enpat kali phổ biến nhất có octocla và microclin, với thành phần là K[AlSi30 8]. Đ ộ cứng 6 -r 6,5. Tỉ trọng 2,5 -4- 2,57. Màu hồng nhạt, vàng nâu, trắng đỏ, đôi khi màu đỏ thịt; ánh thuỷ tinh. Dễ tách hoàn toàn. Octocla có góc giữa các mặt dễ tách là 90° (hình 1.8) còn microclin chỉ chênh lệch với góc vuông 20'. Trong đá granit ở nền đập Thác Bà, fenpat Ị____ I____ 1____ I chiếm tới 60%. Mỏ fenpat ở Thanh Thuỷ (Phú Thọ) đang được khai thác cho kĩ nghệ đồ sứ. H ình 1.8: Octocla có hai phương d ễ tách Ở các nước khí hậu khô, íenpat bị phong hoá ^ ìe0 8°c vuôns tạo thành cát còn ở nước ta, fenpat dễ bị phân huỷ tạo thành sét. 2. N hóm mica Nhóm mica chiếm 3,8% trọng lượng vỏ quả đất. Mica có thành phần hoá học phức tạp với đặc điểm là dễ tách rất hoàn toàn. Khoáng vật chủ yếu của nhóm này là biotit và muscovit. Biotit còn gọi là mica đen hoặc mica manhê - sắt, có công thức: K(Mg, Fe)3[AlSiíO lũ][OH]2. Dạng tinh thể dẹt, giả lục phương, cũng có khi dạng trụ, dạng tháp, màu đen, nâu, phớt đỏ, lục. Vết vạch trắng. Ánh thuỷ tinh, xà cừ. Đ ộ cứng 2 4- 3. Dễ tách rất hoàn toàn theo một phương. Tỉ trọng 3,02 -r 3,12. Muscovit còn gọi là mica trắng, có công thức KAU[A1S ì3O i0][OH]t Dạng tinh thể dẹt hay tấm, giả lục phương, có thể tập hợp thành khối hạt, lá hoặc vảy đặc sít. Vảy muscovit rất nhỏ gọi là xerixit màu trắng, vết vạch trắng. Ánh thuỷ tinh, xà cừ. Độ cứng 2 -r 3. Bóc thành lá mỏng, dễ uốn, dễ tách rất hoàn toàn theo một phương. Tỉ trọng 2,76 -ỉ- 3,10. Mica có thể có nguồn gốc macma hay biến chất. 3. N hóm piroxen Phổ biến nhất là augit Ca(Mg, Fe, A l) [(SiAl)X>6]. Tinh thể hình trụ ngấn, hình tấm (hình 1.9). Tập hợp khối đặc sít. Màu đen lục, đen, ít khi lục thẫm hay nâu. Ánh thuỷ tinh. Đ ộ cứng 5 -r 6. Dễ tách hoàn toàn. Tỉ trọng 3,2 -ỉ- 3,6. Nguồn gốc macma. 14
H ình 1.9: a) Ảnh của khoáng vật piroxen; b) Trong piroxen những chuỗi đơn của các khối tứ diện silic được ràng buộc với nhau bởi các ion ccmxi và manhê. 4. N hóm am fibon Phổ biến nhất là hocblen, có thành phần: Ca2Na(M g, Fe)4(Al, Fe)[(Si, A l)4O n]2[OH]2. Tinh thể dạng lăng trụ, hình cột. Màu lục hoặc nâu có sắc từ sẫm đến đen. Vết vạch trắng, ánh thuỷ tinh. Đ ộ cứng 5,5 -5- 6. Hai phương dễ tách hoàn toàn, giao nhau theo góc 5 6 ° và 124° (hình 1.10). Tỉ trọng từ 3,1 H- 3,3. Nguồn gốc macma hay biến chất. Ọ ỊI 21 3cm 5. N hóm olivin ĩ I O livin có công thức (M g, Fe)2S i0 4. Tập hợp dạng H ình 1.10: Hocbỉen (khoáng vật hạt (hình 1.11). Màu phớt vàng, vàng phớt lục. ánh nhóm amỊibon) có hai mặt tách cắt thuỷ tinh. Đ ộ cứng 6,5 7. Tỉ trọng 3,3 -ỉ- 3,5. Dễ nhau theo góc 56° và 124°. tách trung bình hoặc không tách, v ế t vỡ vỏ sò. Phần lớn olivin có nguồn gốc macma. ố. N h ó m ta n Tan có công thức: Mg3[Si4O 10][OH]g. Tập hợp thành khối đặc sít; rất đặc trưng là ở dạng lá, dạng vẩy. Đ ộ cứng 1. Dễ tách hoàn toàn theo một phương. Tỉ trọng 2,7 4- 2,8. Rất dể nhận biết do độ cứng thấp và sờ tron tay. Màu lục sáng, ánh mỡ. Tan là sản phẩm biến chất của đá macma. 7. N húm c lo rit Clorit có công thức Mg4Al-,[Si2A l2O l0][OH]8. Tinh thể dạng tấm, tập hợp có dạng vẩy. Màu lục sáng, lục sẫm, ánh ngọc. Dễ tách hoàn toàn như mica. v ế t vỡ không đều, sần 15
sùi. Đ ộ cứng 2 -r 2,5. Tỉ trọng 2,6 -r 2,85. Tấm mỏng clorit có thể uốn cong nhưng không đàn hồi, đó là chỗ khác với mica. Hoặc Fe+2 hoặc Mg+2 0 1 2 3 cm _1 _ _ í_ _ _ I_ _ _ _ I 3) H ình 1.11: a) Ảnh chụp khoáng vật olivin; b) Cấu trúc của oỉivin: khối tứ diện siỉìc độc lập và các ion matìliê và lioặc ion sắt cách đều nìiau. 8. N hóm khoáng vật sét Đây là các khoáng vật thứ sinh của lớp silicat. Nó là thành phần chủ yếu của đất sét và đất loại sét nên có tên là khoáng vật sét. Khoáng vật sét có dạng phiến mỏng, kích thước không vượt quá một vài micron. K ích thước của nó nhỏ đến nỗi khi trộn với nước thì thành hệ chất keo. Việc quan sát khoáng vật sét phải dùng kính hiển vi điện tử. Căn cứ vào ảnh hưởng của khoáng vật sét đến tính chất của đất, nhất là độ dẻo, người ta phỏng đoán được hàm lượng khoáng vật sét trong đất. Phổ biến và đặc trưng n.hất trong nhóm khoáng vật sét có kaolinit, ilit, và monmorilonit. Chúng đều cấu tạo Ibởi nhũng lớp mỏng oxit silic (S i0 2) và oxit alumin (A120 3). Dọc theo mặt tiếp xúc của (Cấc lớp thì khoáng vật sét có độ bền thấp, vì vậy chúng dễ bị tách ra thành lớp mỏng. K aolinit có công thức A l4[Si4O l0][OH]6. Được hình thành ngay trên mặt đất trong m ôi trường axit yếu, từ íenpat và mica. Tinh thể phiến mỏng, hình dạng rất khác nhau. Từng phiến mỏng không màu; cả khối chặt sít có màu trắng dạng đất, sờ trơn tay. Đ ộ cửng gần 1. Dễ tách hoàn toàn. Tỉ trọng 2,58 2,6. Trong kaolinit, các lóp oxit silic và oxit alumin xen kẽ nhau (hình 1.12a). 16
Lớp nước JS) o © • # c © K 0 OH S: A/ A /.S i A /.M g H in h 1.12: So'dồ cáu trúc của khoúnx vụt sét a ) K a o H n it; b) I lit ; c) M o iu ịio i ilonit iiii có Coi £ Iliuc '•\AU|(Si> Al) O 10j|OHJnH2O. ĩiit hình íiann do mica tác dụng với nước nên còn gọi là mica nước (hiđro muscovit). Tinn thé thuờng gặp dạng phiến mỏng. Tị trong 2,6. Khác với kaolinit, ilit có các lóp oxit silic xếp kề nhau và có ion kali liên !:' t piữa các lớp này (hình 1.12b) nên có khả năng nở hạn chế khi ngậm nước. M o n m o rth n it (Al, M g)2[Si4O |0][OH)2nH2O. Tinh thể có nhiều hình dạng khác nhau. M.tii trăng, phó: ám; đôi khi phớt xanh, hồng lục. Khi khô có ánh mỡ. Đ ộ cứng của 'ừng vấy còn cT.i.p Dễ tách hoàn toàn. Tỉ trọng không nhất định. M onn.oiilonit thành tạo từ tro núi lửa, các đá giàu sắt, manhê, trong môi trường kiềm yếu. Các phai ì tr H Ư Ớ C có khả năng chui vào khoảng giữa các lớp oxit silic nằm kề nhau, vì vậy moihìio' lonit có khả năng nở lớn (hình 1.12c). Ở nước ta, nhieu • lỏ sét có trữ lượng lổn và chất lượng cao đang được khai thác dùng cho kĩ nghệ đồ sứ, như mỏ sét Đông Triều, mỏ sétĐức Trọng... Theo một số kết quả nghiên cứu sơ bộ thìsét Đống Đa làsét kaolinit và ilit, sét Hải Phòng thuộc loại sét monmorilonit... 17
Lớp oxit Khoáng vật lớp oxit và hiđroxit chiếm 17% trọng lượng vỏ quả đất. Trong lớp này hay gặp opan, thạch anh, limonit. Thạch anh S i0 2 ỉà khoáng vật phổ biến nhất trong vỏ quả đất, thường không màu, đôi khi trắng sữa, xám. Ánh thuỷ tinh. Không dễ tách. Vết vỡ vỏ sò. Độ cứng 7. Tỉ trọng 2,5 + 2,8. Thạch anh thành tạo có trường hợp do đông nguội của macma, có trường hợp do kết tủa từ dung dịch trong điều kiện khí quyển giầu oxy và silic. Ở nước ta, thạch anh chiếm tới 30% trong đá granit ở Thác Bà, Bảo Lộc, Phan Rang. Trong liparit ở Tam Đảo, thạch anh ở dạng ban tinh. Trong cát vàng Việt Trì, cát trắng Quảng Bình, Phan Thiết, Phan Rang thì thạch anh là thành phần chủ yếu. Opan S i0 2nH20 là khoáng vật vô định hình, không màu, trắng hoặc vàng đỏ. Trung bình chứa 6%, tối đa tới 34% nước. Ánh xà cừ hoặc thuỷ tinh. Đ ộ cứng 5 -ỉ- 5,5. Tỉ trọng 1,9 -ỉ- 2,5. Được thành tạo trong khe nứt và lỗ hổng ở phần trên của vỏ quả đất, do kết tủa của dung dịch chứa silic; cũng có thể thành tạo ở vùng ven biển do sự ngưng keo của các dưng giao silic được sông vận chuyển đến hoặc do xương của một số sinh vật biển. Lim onit Fe20 3nH20 . ở trạng thái keo có độ cứng từ 4 5,5, khi vụn rời giảm xuống gần 1. Mầu nâu, vàng, vết vạch vàng nâu đến đỏ. Tỉ trọng 2,7 -r 4,3. Thành tạo do sự ôxy hoá các hợp chất sắt, suníua trầm đọng dưới đáy hồ... Lớp cácbonat Lớp này có khoảng 80 loại khoáng vật, chiếm 1,7% trọng lượng vỏ quả đất, thường tạo thành lớp trầm tích biển rất dày. Khoáng vật phổ biến có canxit và đolomit. C anxit C aC 03. Thường tinh thể ở dạng khối tam giác lệch, khối mặt thoi. Không màu, trắng sữa, khi lẫn tạp chất có màu xám, vàng hồng. Ánh thuỷ tinh, dễ tách hoàn toàn theo ba phương thành các khối hình mặt thoi. Đ ộ cứng 3. Tỉ trọng 2,6 4- 2,8. Sủi bọl với axit clohiđric loãng (10%). Canxit hình thành trong quá trình macma, do kết tủa hoá học trong nước và cũng do tác dụng của sinh vật. Đ olom it C aC 03.M gC 03. Tinh thể có dạng khối mặt thoi. Thường tập hợp ở dạng khối hạt kết tinh. Màu trắng xám, có khi vàng, lục, nâu. Ánh thuỷ tinh. Dễ tách hoàn toàn. Độ cứng 3,5 -r 4. Tỉ trọng 2,8 H- 2,9. Mảnh đolomit bị hoà tan chậm bởi axit clohiđrit (HC1) 10% khi nguội. Bột đolomit sủi bọt mạnh với HC1 được đun nóng. Đolom it được thành tạo do trầm tích và do quá trình đolomit hoá đá vôi. Lớp s u n fa t Có khoảng 260 khoáng vật, chiếm không quá 0,1% trọng lượng vỏ quả đất. Đặc điểm chung của lớp này là có tỉ trọng và độ cứng không lớn. Đại biểu lớp này là anhiđrit (thạch cao khan) và gíp (thạch cao). 18
A nhiđrit C aS 04. Tinh thể hình lăng trụ hoặc phiến mỏng. Tập hợp thành khối đặc sít, có khi dạng que. Màu trắng, khi có tạp chất thì màu xám, đỏ, đen. Ánh thuỷ tinh. Độ cứng 3,0 -T- 3,5. Dễ tách hoàn toàn. Tỉ trọng 2,8 4- 3,0. Khi có nước và chịu áp lực nhỏ thì anhiđrit biến thành gíp và tăng thể tích đến ~ 30%. G íp (thạch cao) C aS 04.2H20 . Tinh thể dạng tấm, ít khi dạng sợi. Màu trắng, khi lẫn tạp chất có màu xám, vàng đồng, nâu, đỏ hoặc đen. Ánh thuỷ tinh. Đ ộ cứng 2. Dễ tách hoàn toàn. Gíp hình thành do trầm tích từ anhiđrit bị hiđrat hoá và từ đá vôi dưới tác dụng của nước chứa axit sunfuric (H2S 0 4). L ớ p s u n fu a Trong lớp này liên quan nhiều đến xây dựng là khoáng vật pirit. P irit FeS2. Tinh thể hình lập phương, trên mặt tinh thể có những vết khía (hình 1.13). Màu đồng thau, khi phân tán nhỏ có màu đen. ánh kim mạnh. Vết vạch nâu hay đen nâu. Đ ộ cứng 6 -ỉ- 6,5. Khá giòn. Dễ tách không hoàn toàn, v ế t vỡ không đều, đôi khi có dạng vỏ sò. Tỉ trọng 4,4 -f 5,2. Pirit có nguồn gốc macma hoặc do sự phân huỷ những di tích hữu cơ dưới tác dụng của nước và sinh vật trong điều kiện thiếu oxy. Pirit khi tác dụng với oxy và nước cho axit suníuric. H ìn h 1.13: P irit Iihận ra bởi m àn đồng tliau, d ễ tách lập phương, ánh kim. M ẫu bên trái có các vạch song song n hỏ hoặc các vạch sọc trên b ề mặt. Lớp h a lo g e n n u a Khoáng vật phổ biến nhất của lớp này là muối mỏ halit (NaCl). H alit NaCl. Tinh thể lập phương. Màu trắng hoặc không màu, khi có lẫn tạp chất thì màu xám, đỏ đen. Ánh thuỷ tinh. Đ ộ cứng 2,5. D ễ tách rất hoàn toàn. Tỉ trọng 2,1 đến 2,2. Halit có nguồn gốc trầm tích hoá học. 1.1.3. Bảng nhận biết bằng mắt các khoáng vật chính tạo đất đá Báng 1.2 là bảng nhận biết các khoáng vật chính tạo đất đá bằng mắ'. 19
Bảng 1.2. Bảng nhận biết bàng mắt các khoáng vật chính tạo đất đá Các tinh Hệ tinh thể và Màu và màu Cát khai Tỉ Dấu h Khoáng vật Ánh Độ cứng chất dạng tập hợp vết vạch và vết vỡ trọng nhận b khác 1 2 3 4 5 6 7 8 9 icat m fenpat a Một nghiêng. Tinh Không màu, trong Thuỷ 6 - 6 ,6 Hoàn 2,5-2,6 Màu, độ cứ 3o 8] thể lăng trụ. Hạt và suốt có sắc phớt tinh toàn dưới cát khai Ví* các tập hợp trong đá. đỏ, phớt nâu. Vết góc 90° 90°. vạch không màu. la Ba nghiêng. Tinh Trắng, phớt xám Thuỷ 6-6,5 Hoàn 2,6 Phân biệ i30 8) Ca[AlSi2Og] đám, tinh thể lãng trụ với nhiều màu sắc tinh toàn octocla bằ - tấm, khối hạt đặc sít khác nhau cát khai n và những hạt không và ít khi đều trong đá đỏ. m mica v ít Một nghiêng. Tập Không màu với Thuỷ 2-3 Rất hoàn 2,7-3,1 Lá mỏng Phân biệt lSi3O10](OH)2 hợp dạng lá, dạng các sắc khác nhau, tinh, xà toàn đàn hồi, khoánp vậ vảy nhỏ (serixit) loại chứa crôm cừ, bạc cách mica khá (fucxit) màu lục điện màư sáng h rực. Vết vạch không màu Một nghiêng. Khối Đen nâu với sắc Thuỷ 2-3 Rất hoàn 3-3,1 Theo dấu h Fe)3 dang lá, tấm, vảy khác nhau, v ết tinh, xà toàn ngoài phâ 10]x(OH, F)2 vạch không màu cừ với các vật mica k màu sẫm h
Tiếp theo 1 2 3 4 5 6 7 8 hóm piroxen t g, Fe, Al)[Si, AI), Một nghiêng. Khối Đen, đen lục hoặc Thuỷ 5-6 Hoàn 3,2-3,6 Tinh dạng hạt và tinh thể đen nâu. Vết vạch tinh toàn trụ. hình trụ ngắn không màu. csten Trực thoi. Hạt Phớt lục đến đen Thuỷ 5,5 Trung 3 ,3 - M Fe)2[Si20 6] phớt nâu. Vết vạch tinh bình 3,5 không màu hóm amfibon o lít Một nghiêng. Tập Lục vỏ chai với Thuỷ 5,5-6 Hoàn 3,1-3,3 Giòn Mầu Mg, Fe2')3lSi4O n]2 X hợp tia hình kim, sắc khác nhau. Vết tinh toàn tremol 2 khối sợi mảnh và ẩn vạch không màu thuộc tinh amíibo len Một nghiêng. Tinh Lục, nâu. Vết vạch Thuỷ 5,5-6 Hoàn 3,1-3,3 Theo a(Mg, Fe)4 (Al, Fe) thể cột lăng trụ, giả trắng có sắc lục tinh toàn, với ngoài, , Al)4O nj2(OH)2 hình theo piroxen góc 124° góc cát (uralit) óm olivin Trực thoi. Tập hợp Không màu, vàng Thuỷ 6,5-7,0 Trung 3,2-3,5 Giòn Cộng n hạt. có sắc lục, ở dạng tinh, mỡ bình, vết secpen Fe)2 [S i0 4] khối có màu lục, vỡ pirôxen thậm chí lục sẫm. thường cromsp Vết vạch không có dạng ánh, màu, trắng vỏ sò không anh. óm tan Một nghiêng. Khối Lục sáng hoặc Thủy Khoảng Hoàn 2,7-2,8 Cảm giác Độ cứ chặt dạng vảy vàng. Vết vạch tinh mờ 1 toàn mỡ, tấm sờ trơn Si4O |0](OH)8 trắng mỏng uốn được nhưng không đàn hồi