Giáo trình cơ học đá - Chương 1 pot

Chương I ðÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ðÁ ðá là những phần vật chất tạo nên vỏ Trái ðất. Nó là tập hợp của một hay nhiều khoáng vật khác nhau, có cấu tạo và thành phần khoáng vật tương ñối ổn ñịnh. 1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ðÁ 1.1.1. SỰ THÀNH TẠO CÁC LOẠI ðÁ Về sự hình thành các loại ñá ñã ñược trình bày rất rõ ràng trong các giáo trình ñịa chất ñại cương hay ñịa chất công trình. Ở ñây chỉ nhắc lại một vài ñiểm chính. Theo nguồn gốc thành tạo, ñá ñược chia thành 3 loại chính: ñá magma, ñá trầm tích và ñá biến chất. 1.1.1.1. ðá magma ñược thành tạo do sự ñông cứng của dòng dung nham nóng chảy phun lên từ trong lòng ñất. Dòng dung nham này là các dung dịch silicat có thành phần rất phức tạp và chứa các loại khí, hơi nước khác nhau. Khi dòng dung nham phun lên và ñông cứng lại ngay trong lòng ñất thì sẽ tạo thành ñá magma xâm nhập. Do ñược thành tạo trong ñiều kiện áp suất cao, sự ñông cứng xảy ra từ từ và ñều ñều nên các khoáng vật dễ dàng kết tinh, tạo nên ñá magma kết tinh hoàn toàn, dạng khối, chặt xít như ñá granit, gabro… Khi dòng dung nham trào lên mặt ñất và ñông cứng lại thì sẽ tạo thành ñá magma phún xuất (hay phun trào). Do ở mặt ñất nhiệt ñộ và áp suất thấp, nhiệt thoát nhanh nên không thuận lợi cho việc kết tinh của các khoáng vật, tạo nên ñá magma ở dạng vô ñịnh hình, có nhiều lỗ rỗng như ñá bazan, ñá bọt… Các ñá phun trào ñược thành tạo từ ñại cổ sinh thì ñược gọi là ñá phun trào cổ, còn nếu thành tạo mới gần ñây thì ñược gọi là phun trào trẻ. 1.1.1.2. ðá trầm tích ñược thành tạo có thể theo 3 cách: - Do sự lắng ñọng và gắn kết của các mảnh vụn (là các sản phẩm phong hoá của ñá gốc hay các vụn núi lửa); - Do sự kết tủa của chất hoá học có trong nước; - Do sự nén chặt của các di tích ñộng, thực vật. Tuỳ theo các cách thức thành tạo như vậy mà người ta cũng chia thành các ñá trầm thích cơ học, trầm tích hoá học và trầm tích hữu cơ. ðá trầm tích chỉ chiếm 5% khối lượng vỏ Trái ðất nhưng nó bao phủ tới 75% diện tích mặt ñất với các chiều dày khác nhau (từ 3 – 4km ở vùng Trung Á, còn 1km ở vùng Xibir và chỉ từ 0,3 – 0,7km ở Thái Bình Dương. CƠ HỌC ðÁ. 17 1.1.1.3. ðá biến chất ñược tạo thành do sự biến ñổi sâu sắc của ñá magma, ñá trầm tích và cả ñá biến chất có trước dưới tác ñộng của nhiệt ñộ cao, áp suất lớn và các chất có hoạt tính hoá học. Dựa vào các nhân tố tác ñộng chủ yếu, người ta chia ra:  Biến chất tiếp xúc xảy ra ở khu vực tiếp giáp giữa khối magma nóng chảy và ñá vây quanh. Nhiệt ñộ cao ñã làm thay ñổi thành phần, kiến trúc và tính chất của ñất ñá. Càng xa khối magma, mức ñộ biến chất của ñá giảm dần.  Biến chất ñộng lực xảy ra dưới tác ñộng của áp suất cao không chỉ do trọng lượng các lớp ñá nằm trên mà còn do áp lực sinh ra trong hoạt ñộng tạo sơn của các quá trình kiến tạo. Do vậy, ñất ñá bị mất nước, ñộ rỗng giảm ñi, sự liên kết giữa chúng tăng lên làm thay ñổi kiến trúc và cấu tạo của ñá.  Biến chất khu vực thường xảy ra dưới sâu do tác ñộng ñồng thời của nhiệt ñộ cao và áp suất lớn làm thành phần, kiến trúc của ñá bị thay ñổi. 1.1.2. THÀNH PHẦN CỦA ðÁ ðá có thể ñược tạo thành từ một khoáng vật (ñá ñơn khoáng) hay nhiều khoáng vật ñược gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết (ñá ña khoáng). ða số các loại ñá ñều là ñá ña khoáng và như vậy thành phần của chúng sẽ gồm các khoáng vật và các chất gắn kết. 1.1.2.1. Các khoáng vật tạo ñá Khoáng vật là những hợp chất của các nguyên tố hoá học tự nhiên hay các nguyên tố tự sinh ñược hình thành do các quá trình hoá lý khác nhau xảy ra trong vỏ Trái ðất hay trên mặt ñất. ða số các khoáng vật ở thể rắn và có trạng thái kết tinh. Theo A.P. Vinogradov, trong tự nhiên ñã biết khoảng gần 3000 khoáng vật, nhưng trong số ñó, chỉ có khoảng 30 – 50 khoáng vật ñóng vai trò quyết ñịnh trong việc thành tạo ñá ñược gọi là khoáng vật tạo ñá. Các khoáng vật tạo ñá ñược chia thành từng nhóm và mỗi khoáng vật lại có những ñặc ñiểm về cấu tạo, lực liên kết trong mạng tinh thể… khác nhau dẫn ñến tính chất của chúng cũng khác nhau.  Các nhóm khoáng vật tạo ñá chính: Trong cơ học ñá thường không xác ñịnh thành phần khoáng vật ñầy ñủ và ñịnh lượng. Theo J.A. Franklin, có 6 nhóm khoáng vật tạo ñá chính ảnh hưởng ñến tính chất cơ học của hầu hết các loại ñá thường gặp trong xây dựng công trình. Các nhóm ñược nêu theo thứ tự giảm dần về chất lượng cơ học: - Nhóm thạch anh – felspat Thạch anh là thành phần chủ yếu của ñá granit và hầu hết các loại cát kết. Nó thường trong suốt hoặc có màu trắng ñến xám tựa thuỷ tinh, ñộ cứng 7. Felspat là thành phần chủ yếu của hầu hết các ñá magma và cát kết loại arko. Nó gồm plagioclas và orthoclas có màu từ hồng ñến trắng, mờ ñục, rất dễ vạch bằng dao bỏ túi. - Nhóm lithic / bazơ Gồm các vụn ñá của ñá magma bazơ (bazan, gabro), cát kết grauvac xám tro, amphibolit và các khoáng vật bazơ sẫm màu như amphibol và pyroxen. Khi còn tươi, các khoáng vật này có ñộ cứng kém hơn thạch anh một chút. - Nhóm mica Gồm các khoáng vật dạng tấm như biotit (mica ñen), muscovit (mica trắng) và clorit, xuất hiện như thành phần phụ nhưng quan trọng của một số ñá magma và là thành phần chính của các ñá biến chất cấu tạo phân phiến. Biotit có màu tiêu biểu từ nâu ñến ñen; muscovit có màu bạc và clorit có màu xanh. Tính phân phiến và thường tạo thành các dải có hàm lượng mica cao làm yếu các ñá chứa chúng. Mica dễ bị tác ñộng bởi các tác nhân phong hoá. - Nhóm carbonat Gồm các khoáng vật như calcit, ñolomit… dễ nhận biết do chúng dễ bị vạch bằng dao, sủi bọt trong HCl loãng. Chúng xuất hiện dưới dạng các tinh thể, các hạt hay các vụn hoá thạch có cùng kích thước và do khả năng hoà tan, chúng cũng thường là xi măng gắn kết giữa các hạt và lấp ñầy lỗ rỗng. Các khoáng vật nhóm carbonat thường có màu trắng mờ ñến vàng sẫm sáng, ñôi khi có màu tối, thậm chí là màu ñen. - Nhóm muối Gồm muối mỏ, muối kali và thạch cao. Chúng thường mềm yếu và dẻo, ñôi khi chảy và có thể bị hoà tan trong khoảng thời gian xây dựng. Các khoáng vật này có khả năng hoà tan và ñược thành tạo từ các dung dịch muối biển. Màu của chúng thường từ màu mờ ñục tới trắng phớt hồng. Tinh thể halit có dạng khối ñặc trưng còn thạch cao lại có dạng sợi. - Nhóm pelit (chứa sét) Gồm các khoáng vật như kaolinit, illit, monmorilonit là các thành phần chủ yếu trong ñá phiến sét, ñá phiến và là sản phẩm thứ sinh trong nhiều ñá magma, biến chất và ñá vôi. Chúng có hạt mịn và do vậy, khó nhận biết, trừ khi suy luận từ ñặc tính mềm yếu và màu nâu – xanh – xám thông thường của chúng. Các khoáng vật sét có khả năng trương nở khác nhau, trong ñó monmorilonit trương nở mạnh nhất. Khi mô tả ñá, các khoáng vật ñược liệt kê theo phần trăm và thứ tự giảm dần. Thí dụ ñá granit có thể mô tả theo thành phần khoáng vật là gồm felspat trắng tới vàng sẫm, 25% thạch anh, 10% khoáng vật chứa magne – sắt và 10% biotit.  Cấu tạo của khoáng vật Khoáng vật thường gặp ở dạng tinh thể hay hạt. Tuy một số khoáng vật có kích thước lớn như thạch anh, felspat… nhưng ña số các khoáng vật ñều ở dạng tinh thể nhỏ. Các tinh thể khoáng vật thường có cấu tạo mạng là sơ ñồ hình học trong không gian cấu tạo của vật chất kết tinh. Giả sử có một mạng tinh thể như trên hình 1.1. Phần nhỏ nhất của tinh thể ñược biểu diễn bằng các ñường ñậm nét, ñược gọi là nhân cơ bản hay mạng phân tố, chúng sắp xếp liên tục theo 3 trục trong không gian tạo thành tinh thể. CƠ HỌC ðÁ. 19 Mạng phân tố ñược ñặc trưng bằng 6 yếu tố: 3 kích thước của khung mạng a, b, c và 3 góc giữa các trục X, Y, Z là α, β và γ. Tuỳ theo quan hệ hình học giữa các yếu tố của mạng mà các tinh thể ñược chia thành nhiều hệ khác nhau như tam tà (a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90 o ), tà phương (a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90 o ), lục phương (a = b ≠ c ; α = β = 90 o , γ = 120 o ), lập phương (a = b = c; α = β = γ = 90 o )… Các tinh thể không chỉ khác nhau về hình dạng của mạng mà còn khác nhau ở dạng các vật chất nằm ở nút mạng. Theo ñó, người ta chia ra thành mạng ion khi các nút mạng là các ion mang ñiện tích âm hay dương (như mạng tinh thể muối mỏ NaCl…), mạng nguyên tử khi mỗi nút mạng là một nguyên tử vật chất (như mạng tinh thể kim cương, sfalerit ZnS…) hay mạng phân tử khi ở nút mạng là những phân tử trung hoà về ñiện (như trong mạng các liên kết hữu cơ…). Tuy vậy, trong tự nhiên rất hay gặp các mạng hỗn hợp như mạng ion – phân tử. Các khoáng vật tạo ñá cũng hay là loại mạng này.  Lực liên kết trong mạng tinh thể. Lực liên kết trong mạng tinh thể có bản chất là lực tĩnh ñiện, sinh ra do tác ñộng tương hỗ chủ yếu là của các ñiện tử hoá trị của nguyên tử. Do sự phân bố các ñiện tử trong nguyên tử và phân tử của các tinh thể không như nhau nên các lực liên kết trong các tinh thể khoáng vật cũng khác nhau. Người ta chia ra một số loại liên kết sau: - Liên kết ion thường thấy ở các mạng ion, nghĩa là tại các nút mạng là các ion dương hay âm. Lực liên kết gây ra do lực hút giữa các ion mang ñiện tích trái dấu. Lực này tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các ion và tỷ lệ thuận với các ñiện tích của chúng. - Liên kết ñồng hoá trị thường thấy ở các mạng nguyên tử. Lực liên kết sinh ra do tác ñộng trao ñổi ñiện tử giữa hai nguyên tử nằm ở hai nút mạng ở rất gần nhau. - Liên kết carbon là thí dụ cổ ñiển của các loại liên kết này (như kim cương và một vài khoáng vật khác). - Liên kết phân tử thường thấy ở các mạng phân tử. Các phân tử trung hoà về ñiện nhưng sự sắp xếp các ñiện tích trong chúng lại không hoàn toàn ñối xứng nên sự liên kết giữa các phân tử là lực tĩnh ñiện rất yếu như lực Vander Vaals, sinh ra khi chúng ở gần nhau. ðộ bền của những tinh thể có liên kết kiểu này rất kém. - Liên kết kim loại ñặc trưng cho tính chất của tinh thể kim loại. Những nguyên tử kim loại sau khi mất ñiện tử trở thành các ion dương nằm ở Hình 1.1. Mạng không gian của tinh thể. các nút mạng, còn các ñiện tử tách ra nằm ở khoảng không giữa các nút. Giữa các ñiện tử, ion dương liên kết với nhau bằng các ñiện lực. Chính các lực này ñã giải thích cho ñộ bền của vật rắn. Do mạng tinh thể của một vài khoáng vật có thể là hỗn hợp nên lực liên kết của chúng cũng không phải chỉ là một loại. Có thể theo hướng này thì là liên kết ion, còn theo hướng khác thì có thể là liên kết phân tử (như molibñenit, grafit…). ðiều này làm phát sinh tính chất dị hướng của các tinh thể.  Một số ñặc trưng của khoáng vật: - Trạng thái vật lý ða số các khoáng vật ñều ở dạng kết tinh, trong ñó các nguyên tử hay ion ñược sắp xếp theo một trật tự nhất ñịnh, tạo thành mạng lưới không gian làm khoáng vật có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh. Một số khoáng vật vô ñịnh hình do không có cấu trúc mạng tinh thể không gian nên chúng không có hình dáng bên ngoài nhất ñịnh, tạo nên tính ñẳng hướng của khoáng vật: tính chất của khoáng vật theo mọi phương có thể coi là bằng nhau. - Hình dáng tinh thể Tuỳ theo sự phát triển trong không gian của mạng tinh thể, khoáng vật có thể có dạng hình lăng trụ, hình que, hình kim… khi tinh thể khoáng vật chỉ phát triển theo một phương; dạng tấm, vẩy, lá… khi tinh thể khoáng vật phát triển theo hai phương hay dạng hạt, cục… khi tinh thể phát triển theo cả ba phương. - Màu sắc và vết vạch Màu của khoáng vật là do thành phần hoá học và các tạp chất trong nó quyết ñịnh. Theo ñó, người ta chia làm khoáng vật màu sáng (không màu, trắng, xám sáng, vàng hồng…) và khoáng vật màu sẫm (ñen, xanh, nâu và các màu tối khác…). Vết vạch là màu của bột khoáng vật ñể lại trên tấm sứ trắng, nhám khi cọ vào nó. Thường thì màu của khoáng vật và của vết vạch là giống nhau nhưng cũng có những khoáng vật lại không thể hiện như vậy: Khoáng vật hêmatit có màu ñen, xám thép nhưng màu của vết vạch lại là ñỏ máu hay khoáng vật pyrit có màu vàng thau nhưng vết vạch lại có màu ñen. - ðộ trong suốt và ánh ðộ trong suốt của khoáng vật là khả năng khoáng vật cho ánh sáng xuyên qua. Theo ñó, người ta chia thành các mức ñộ trong suốt (như thạch anh, muscovit…), nửa trong suốt (như thạch cao, sphalerit…), không trong suốt (như pyrit, magnetit…). Ánh của khoáng vật là sự phản xạ màu sắc trên mặt khoáng vật khi ánh sáng chiếu vào. Người ta chia thành ánh kim và ánh phi kim (như ánh thuỷ tinh, ánh xà cừ, ánh mỡ, ánh añamatin…). - Tính dễ tách (cát khai) Tính dễ tách là khả năng tinh thể của một vài khoáng vật có thể tách ra ñược theo những mặt phẳng song song với nhau khi chịu tác dụng lực. Các mặt phẳng này cũng ñược gọi là mặt tách hay mặt cát khai. CƠ HỌC ðÁ. 21 Theo O. Brave (1848), người sáng lập ra lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể thì mặt cát khai là mặt có mật ñộ nút lớn nhất và khoảng cách giữa các mặt cũng là lớn nhất. Trong một mặt của mạng tinh thể (hình 1.2), kẻ các hướng OA, OB, OC. Mật ñộ nút dày nhất là ở hướng OA (khoảng cách giữa các nút là bé nhất). Ký hiệu khoảng cách giữa các mặt song song liên tiếp theo các hướng trên, tương ứng là d 1 , d 2 và d 3 ; và khoảng cách giữa các nút theo các hướng trên tương ứng là a 1 , a 2 và a 3 thì có thể dễ dàng nhận thấy là: a 1 d 1 = a 2 d 2 = a 3 d 3 = ad (1.1) nghĩa là tích của khoảng cách giữa các nút mạng theo một hướng nào ñó và khoảng cách giữa hai mặt song song liên liếp theo hướng ñó luôn là một hằng số. Vì vậy, khi khoảng cách giữa hai mặt song song càng lớn (trong khi khoảng cách giữa các nút mạng càng giảm – nghĩa là mật ñộ nút càng dày) thì lực liên kết giữa chúng càng giảm, chúng càng dễ tách xa nhau khi chịu tác dụng lực. Ở mạng tinh thể như trên hình 1.2, mặt cát khai sẽ là mặt MN, trùng với hướng OA. Tuy nhiên, lực liên kết giữa các nút mạng không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng mà còn phụ thuộc vào sự tương tác giữa chúng, nghĩa là còn phải tính ñến các lực liên kết hoá học. Tính chất cát khai cũng có thể giải thích bằng thuyết năng lượng bề mặt. Theo V.ð. Kuznexhov thì mặt cát khai sẽ trùng với mặt có năng lượng bề mặt bé nhất. Năng lượng bề mặt có thể coi là năng lượng dư trên một ñơn vị diện tích hay là lực cần thiết ñặt vào một ñơn vị chiều dài ñể tách lớp trên mặt (với các chất lỏng, năng lượng bề mặt ñược gọi là sức căng bề mặt). Tuỳ theo mức ñộ dễ tách của các khoáng vật mà người ta có thể chia thành dễ tách rất hoàn toàn (như mica, muối mỏ…), hoàn toàn (như calcit…), trung bình (như felspat…), không hoàn toàn (như apatit, olivin…) và rất không hoàn toàn (như corinñon, magnetit…). - Vết vỡ Vết vỡ là dạng bất kỳ của mặt khoáng vật khi bị phá huỷ. Tuỳ theo hình dạng của vết vỡ, người ta chia thành vết vỡ phẳng (khi khoáng vật bị vỡ theo các mặt dễ tách, ñặc trưng cho các khoáng vật có tính dễ tách cao), vết vỡ vỏ sò (như thạch anh…), vết vỡ nham nhở (khi mặt vết vỡ lởm chởm, không bằng phẳng như các khoáng vật ñồng, bạc…) và vết vỡ ñất (khi bị vỡ, khoáng vật vụn như ñất, như ở khoáng vật kaolinit…). - ðộ cứng ðộ cứng là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực của khoáng vật, ñặc trưng cho ñộ bền cục bộ của nó. d 2 B C A d 3 d 1 o M N Hình 1.2. Một mặt của mạng tinh thể. Trong thực tế, thường dùng ñộ cứng tương ñối, nghĩa là so sánh ñộ cứng của khoáng vật với 10 khoáng vật chuẩn do F. Mohs chọn ra từ thế kỷ XIX. Việc so sánh ñược thực hịên theo nguyên tắc khi cọ xát hai khoáng vật với nhau, khoáng vật nào cứng hơn sẽ ñể lại vết xước trên khoáng vật kia. Các khoáng vật trong thang ñộ cứng của Mohs ñược coi là mềm nhất (ñộ cứng 1) tới cứng nhất (ñộ cứng 10) như sau: 1- Talc 6- Orthoclas 2- Thạch cao 7- Thạch anh 3- Calcit 8- Topaz 4- Fluorit 9- Corinñon 5- Apatit 10- Kim cương. Ngoài ra, người ta còn dùng ñộ cứng của một số vật phổ biến như móng tay (ñộ cứng 2,5), mảnh kính (5,5), lưỡi dao thép (6,5)… ñể dễ dàng xác ñịnh ñộ cứng tại thực ñịa. - Tỷ trọng Tuỳ theo sự thay ñổi tỷ trọng của các khoáng vật, người ta chia thành khoáng vật nặng khi tỷ trọng > 4 như pyrit, magnetit…; khoáng vật trung bình khi tỷ trọng từ 2,5 – 4 như thạch anh, calcit… và khoáng vật nhẹ khi tỷ trọng < 2,5 như thạch cao, orthoclas… ða số các khoáng vật thường có tỷ trọng từ 2,5 – 3,5. - Tính dị hướng Dị hướng là tính chất phụ thuộc vào hướng của tinh thể: theo các hướng song song với nhau thì tính chất của nó là như nhau, nhưng khi xét theo các hướng khác nhau thì tính chất của nó lại thay ñổi. Tính dị hướng của khoáng vật có thể giải thích theo lý thuyết cấu tạo mạng của tinh thể. Trên hình 1.2, theo các hướng OA, OB, OC mật ñộ nút (số lượng nút trên 1 ñơn vị chiều dài) là không giống nhau. Mật ñộ dày nhất là theo hướng OA, thưa nhất là ở hướng OC, do vậy lực liên kết giữa các nút mạng theo các hướng cũng sẽ không như nhau làm tính chất của khoáng vật theo các hướng khác nhau sẽ khác nhau. Với các hướng song song, chúng có cùng mật ñộ nút và do vậy, tính chất của chúng hầu như không thay ñổi. Người ta thường ñể ý ñến sự dị hướng ñộ cứng của khoáng vật và hệ số dị hướng là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của một chỉ tiêu theo các hướng khác nhau ñược dùng ñể thể hiện tính dị hướng của khoáng vật. Thí dụ: Khoáng vật rất dị hướng về ñộ cứng là disthen với hệ số dị hướng bằng 3,13. Ngoài các tính chất trên, khoáng vật còn có một số tính chất khác như khả năng sủi bọt với HCl 10%, tính ñàn hồi, khả năng uốn cong hay dát mỏng, từ tính, tính phóng xạ… 1.1.2.2. Chất gắn kết CƠ HỌC ðÁ. 23 Trong ñá ña khoáng hay ñá vụn, các khoáng vật hay các hạt ñá ñược gắn lại với nhau bằng các chất gắn kết.  Các loại chất gắn kết Tuỳ theo tính chất, thành phần của chất gắn kết mà người ta chia ra các loại chất gắn kết sau: - Chất gắn kết silic gồm SiO 2 hay SiO 2 .nH 2 O… - Chất gắn kết carbonat gồm calcit CaCO 3 , siñerit FeCO 3 … - Chất gắn kết sulfat như thạch cao CaSO 4 … - Chất gắn kết có chứa sắt như hematit Fe 2 O 3 , limonit 2Fe 2 O 3 .3H 2 O… - Chất gắn kết có chứa sét gồm các khoáng vật sét như kaolinit Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O, illit… - Chất gắn kết từ bitum hay các chất khác. Theo thứ tự kể trên, ñộ bền của các chất gắn kết giảm dần nên các ñá ñược gắn kết bằng silic là loại ñá cứng và bền vững nhất trong các ñá trầm tích. Các chất gắn kết cũng có màu sắc rất ñặc trưng: Silic và vôi thường có màu xám nhạt, siñerit có màu da bò, hematit có màu ñỏ, còn limonit lại có màu nâu.  Các kiểu gắn kết Tuỳ theo tương quan giữa các chất gắn kết và các hạt ñá ñược gắn kết mà người ta chia thành 3 kiểu gắn kết: - Gắn kết kiểu tiếp xúc khi chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt (hình 1.3a). - Gắn kết kiểu lấp ñầy hay lỗ rỗng khi chất gắn kết lấp ñầy lỗ rỗng giữa các hạt (hình 1.3b). - Gắn kết kiểu bazan hay cơ sở khi chất gắn kết tràn ñầy trong khối ñá làm các hạt ñá không tiếp xúc với nhau (hình 1.3c). a) b) c) Hình 1.3. Các kiểu gắn kết. a) Kiểu tiếp xúc; b) Kiểu lấp ñầy; c) Kiểu bazan. Theo thứ tự kể trên, khi với cùng một loại khoáng vật và chất gắn kết, ñộ bền của ñá tăng dần. 1.1.3. KIẾN TRÚC CỦA ðÁ Kiến trúc là tổng hợp các ñặc trưng thành tạo của ñá ñược xác ñịnh bằng mức ñộ kết tinh; dạng, kích thước hạt và quan hệ lẫn nhau giữa các phần tạo nên ñá, nghĩa là giữa các khoáng vật tạo ñá và dung nham trong ñá magma hay chất gắn kết trong ñá trầm tích vụn. 1.1.3.1. Theo mức ñộ kết tinh, người ta chia ra:  Kiến trúc toàn tinh hay kiến trúc hạt, ñặc trưng cho loại ñá nằm dưới sâu, kết tinh trong ñiều kiện thuận lợi: quá trình ñông nguội xảy ra từ từ, các tinh thể có ñủ thời gian ñể lớn lên, tạo nên trong ñá gồm toàn những hạt kết tinh có thể nhìn rõ ñược bằng mắt thường (hình 1.4).  Kiến trúc porphyr tạo thành khi ñiều kiện kết tinh không thuận lợi: phần magma ñông lại ở dạng thuỷ tinh, trên nền ñó có nổi lên những tinh thể lớn của khoáng vật tạo ñá. ðá gồm cả các khoáng vật ở dạng kết tinh và những tinh thể nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy ñược (hình 1.5).  Kiến trúc ẩn tinh gồm những tinh thể rất nhỏ chỉ nhìn thấy ñược qua kính hiển vi, xảy ra khi dòng dung nham bị nguội lạnh nhanh trên mặt ñất, tinh thể không ñủ thời gian ñể hình thành, chỉ tạo ñược những tinh thể rất nhỏ (hình 1.6).  Kiến trúc thuỷ tinh tạo thành khi ñiều kiện kết tinh rất không thuận lợi. Dòng dung nham bị nguội lạnh rất nhanh tạo thành một khối thuỷ tinh ñặc xít. Kiến trúc này thường thấy khi dòng dung nham phun lên từ lòng ñất ở dưới ñáy biển. 1.1.3.2. Theo kích thước hạt kết tinh, Hội Cơ học ñá Quốc tế (ISRM) chia thành một số loại kiến trúc sau:  Kiến trúc hạt rất thô khi ñường kính hạt > 60mm.  Kiến trúc hạt thô khi ñường kính hạt từ 2 – 60mm.  Kiến trúc hạt vừa khi ñường kính hạt từ 0,06 – 2mm.  Kiến trúc hạt mịn khi ñường kính hạt từ 0,002 – 0,06mm. Hình 1.4. Kiến trúc toàn tinh (ðá granit có chứa các hạt lớn orthoclas, thạch anh và biotit) Hình 1.5. Kiến trúc porphyr Hình 1.6. Kiến trúc ẩn tinh CƠ HỌC ðÁ. 25  Kiến trúc hạt rất mịn khi ñường kính hạt < 0,002mm. Trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5747 – 1993, kiến trúc của ñá ñược phân chia theo kích thước của các hạt với cách gọi tên và kích thước hạt hơi khác:  Kiến trúc ñá tảng khi kích thước hạt > 300mm  Kiến trúc cuội (dăm) khi kích thước hạt từ 150 – 300mm  Kiến trúc sỏi (sạn) khi kích thước hạt từ 2 – 150mm  Kiến trúc hạt cát khi kích thước hạt từ 0,06 – 2mm  Kiến trúc hạt bụi khi kích thước hạt từ 0,002 – 0,06mm  Kiến trúc hạt sét khi kích thước hạt từ < 0,002 mm. 1.1.3.3. Theo dạng và mức ñộ ñồng ñều của hạt Theo hình dạng của hạt kết tinh, tuỳ theo tương quan giữa 3 chiều kích thước của hạt mà người ta chia thành kiến trúc ñẳng thước (khi kích thước 3 trục gần như nhau), kiến trúc dạng tấm (khi có 2 trục dài và 1 trục ngắn) và kiến trúc dạng sợi (khi có 2 trục ngắn và 1 trục dài). Tuỳ theo hình dạng của hạt kết tinh sau khi ñã bị mài mòn mà người ta có thể chia thành kiến trúc hạt góc cạnh, nửa góc cạnh, nửa tròn cạnh, tròn cạnh hoặc rất tròn cạnh. Tuỳ theo mức ñộ ñồng ñều của các hạt kết tinh mà người ta lại chia thành kiến trúc hạt ñều (khi các hạt có kích thước gần giống nhau) và kiến trúc hạt không ñều (khi các hạt có kích thước rất khác nhau). 1.1.4. CẤU TẠO CỦA ðÁ Cấu tạo là những ñặc ñiểm về sự sắp xếp trong không gian của những thành phần tạo nên ñá và mức ñộ liên tục của chúng. 1.1.4.1. Trong cơ học ñá, theo sự ñịnh hướng của các khoáng vật trong không gian thì có một số cấu tạo chính là:  Cấu tạo khối ñược tạo thành do các thành phần tạo nên ñá sắp xếp không theo một trật tự, một qui luật nào cả, tạo nên một khối ñá chặt xít. Cấu tạo này ñặc trưng chủ yếu cho ñá magma, khi các dòng dung nham trào lên rồi ñông ñặc lại. Ở ñá biến chất và ñá trầm tích cũng thấy có cấu tạo này. Do sự sắp xếp một cách ngẫu nhiên của các thành phần tạo nên ñá, nên theo các hướng khác nhau, tính chất của khối ñá coi như là giống nhau - ñá có tính chất ñẳng hướng.  Cấu tạo phân lớp ñược tạo thành do sự lắng ñọng liên tiếp của các lớp ñá có thành phần và kích thước hạt khác nhau trong ñá trầm tích hay do sự ñông cứng của các dải theo phương dịch chuyển của dòng magma trong ñá magma hay do sự biến chất cao của các dải ñá có trước trong ñá biến chất. Tuỳ theo chiều dày của lớp mà người ta chia thành phân lớp mảnh, mỏng, trung bình và không phân lớp (tạo thành khối). Cấu tạo này ñặc trưng cho ñá trầm tích. [...]... c xỏc ủ nh theo cụng th c: s = t m2 mo = m 40 .Cơ học đá (m 2 m o ) cl (m1 m o ) (m 3 m 2 ) (1. 11) s = trong ủú: m cl m cl = m1 m o m 3 + m 2 m + m1 m 3 (1. 12) cl l kh i l ng riờng c a ch t l ng ủem thớ nghi m, nú thay ủ i theo nhi t ủ thớ nghi m V i n c c t: t = 13 17 oC cl = 0,999 t = 18 23oC cl = 0,998 t = 24 27oC cl = 0,997 t = 28 31oC cl = 0,996 V i ch t l ng khỏc, tr c khi ủem... b ng 1. 3 B ng 1. 3 42 .Cơ học đá Tờn ủỏ Granit Syenit Bazan iabas Gabro Pyroxenit Peridotit unit Sột k t Cỏt k t ỏ vụi ỏ hoa Gneis Tr ng l ng th tớch, kN/m3 Kho ng dao ủ ng 25,2 28 ,1 26,0 29,5 27,4 32 ,1 27,3 31, 2 28,5 31, 2 31, 0 33,2 31, 5 32,8 32,0 33 ,1 23,5 26,4 25,9 27,2 26,8 28,4 26,9 28,7 26,9 28,7 Trung bỡnh 26,6 27,5 29,0 29,5 29,9 32,3 32,3 32,8 24,6 26,5 27,3 27,8 27,8 Cơ học đá. 43... th c: m2 m nh = 10 0% (1. 31) m 2 m1 H s r ng H s r ng l t s gi a th tớch cỏc l r ng v khe n t trong ủỏ v th tớch ph n c ng c a nú H s r ng th ng ký hi u l e v tớnh b ng s th p phõn V e = r (1. 32) Vs xỏc ủ nh h s r ng, ng i ta cú th tớnh toỏn theo cỏc cụng th c liờn h v i ủ r ng hay v i tr ng l ng riờng v tr ng l ng th tớch khụ c a ủỏ: e = v: n 1- n (1. 33) e = s -1 c (1. 34) 1. 2 .1. 4 M t s ch tiờu... viờn ủỏ, kh i l ng > 200g Ch i s ch b i trờn m u v ủem cõn v i ủ chớnh xỏc ủ n 0,01g; ủ c kh i l ng m1 em s y khụ nhi t ủ 10 5 11 0oC cho t i kh i l ng khụng ủ i t m u vo bỡnh hỳt m, ủ ngu i r i cõn m u ủó s y khụ, chớnh xỏc t i 0,01g, ủ c kh i l ng m m c a ủỏ s ủ c tớnh theo cụng th c: W = 50 .Cơ học đá m1 m 10 0% m (1. 36) Tr s c a ủ nghi m m s ủ c tớnh theo tr s trung bỡnh s h c c a cỏc m u thớ ... ng 10 0cm3, lau s ch b i b n r i ủem s y nhi t ủ 10 5 11 0oC, cho t i khi cõn ủ c kh i l ng khụng ủ i m em bóo ho n c b ng n c sụi (khi m u khụng ch u tỏc ủ ng c a n c) hay b ng d u l a (khi m u b ho tan trong n c) m u ủ c hon ton bóo ho, ph i Cơ học đá. 49 ủ t c c ch a n c hay d u l a cú m u ủỏ trong vo bỡnh chõn khụng kho ng 0,5 1h Sau khi ủó bóo ho, ủem cõn m u trờn cõn thu tnh, ủ c kh i l ng m1 L... cỏc cụng th c (1. 13), (1. 14) nh ủó núi trờn, ng i ta cũn dựng m t s tr ng l ng th tớch khỏc tu theo tr ng thỏi c a ủỏ: - Tr ng l ng th tớch tr ng thỏi khụ tuy t ủ i (cng ủ c g i l tr ng l ng th tớch khụ, tr ng l ng th tớch c t ủỏ) xỏc ủ nh sau khi ủó s y khụ m u nhi t ủ 10 5 5oC t i tr ng l ng khụng ủ i Tr ng l ng th tớch khụ th ng ký hi u l c v ủ c tớnh theo cụng th c: c = Qs V (1. 15) - Tr ng l ng th... m t v t cú kh i l ng l 1g thỡ cng s cú tr ng l ng l 1G, nờn khi núi kh i l ng th tớch c a v t l 1, 7g/cm3 thỡ cng cú th núi ủ c ngay l tr ng l ng th tớch c a nú l 1, 7G/cm3 Nhng do ngy nay, ng i ta khụng tớnh l c b ng G hay kG m tớnh b ng N v cỏc b i s c a nú (theo h th ng ủn v qu c t SI) v n u l y ch n giỏ tr c a gia t c ri t do b ng 10 m/s2 thỡ cú th coi 1kG = 10 N v 1G/cm3 = 10 kN/m3 Nh v y, t kh i l... anh (khi ủỏ ủ c t o thnh ch y u t th ch anh) (hỡnh 1. 11) , arko (khi thnh ph n ch y u c a ủỏ l felspat) v grauvac (khi ủỏ ủ c t o thnh t cỏc m nh v n ủỏ) a) M t k t ủ c ngu n g c ủ c t o cỏc m nh ra t nỳi Nh ng b c l a b) Hỡnh 1. 11 Cỏt k t th ch anh a) Ch n l c t t; b) Ch n l c kộm lo i cỏt bi t cú magma thnh do v n phun l a ủỏm mõy (hỡnh C H C .29 1. 12) g m cỏc v t li u v n trụi n i trờn khớ v b i cú... tớch, kh i l ng th tớch c a ủỏ cũn ủ c xỏc ủ nh trong cỏc ủi u ki n khỏc nhau v tng ng v i chỳng, s cú nh ng tờn g i khỏc nhau: - Kh i l ng th tớch khụ: ms c = (1. 20) V - Kh i l ng th tớch tr ng thỏi no n c (bóo ho): m s + m 'n (1. 21) V - Kh i l ng th tớch ủ y n i: m s Vs n (1. 22) ủn = V Trong cỏc cụng th c trờn: m l kh i l ng n c l p ủ y cỏc l r ng v khe n t c a ủỏ cũn cỏc ký hi u khỏc cú ý ngha tng... cụng th c: m m = cl m1 m1 cl m l kh i l ng m u ủỏ cõn trong khụng khớ m1 l kh i l ng m u ủỏ cõn trong n c cl l kh i l ng th tớch ch t l ng = trong ủú: (1. 27) Khi dựng phng phỏp cõn thu tnh, m u ủỏ cng v n cú th ủ c b c parafin Khi y, cỏch lm v cụng th c tớnh toỏn cng s tng t nh phng phỏp b c parafin nhng m u s s hi khỏc m t ớt = trong ủú: m. cl p (1. 28) p (m1 m 2 ) cl (m1 m ) m l kh i l ng m . là mềm nhất (ñộ cứng 1) tới cứng nhất (ñộ cứng 10 ) như sau: 1- Talc 6- Orthoclas 2- Thạch cao 7- Thạch anh 3- Calcit 8- Topaz 4- Fluorit 9- Corinñon 5- Apatit 1 0- Kim cương. Ngoài ra,. ñịnh. 1. 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ðÁ 1. 1 .1. SỰ THÀNH TẠO CÁC LOẠI ðÁ Về sự hình thành các loại ñá ñã ñược trình bày rất rõ ràng trong các giáo trình ñịa chất ñại cương hay ñịa chất công trình. . ñiện – từ học, âm học ñều thuộc về vật lý học, nghĩa là các tính chất cơ học, nhiệt học, ñiện – từ học ñều là những phản ứng của ñá trước những trường khác nhau của vật lý học; cơ học là một