Giáo trình nội bộ môn Địa chất công trình | Trường Đại học Thủy Lợi

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ, KINH TẾ
VÀ THỦY LỢI MIỀN TRUNG GIÁO TRÌNH
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
MÔN HỌC: ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH
NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 31/QĐ-CKT-ĐT ngày 07 tháng 02 năm 2018
của Trường Cao đẳng Công nghệ, Kinh tế và Thủy lợi Miền trung)
Quảng Nam, năm 2018
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ cho nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác có ý đồ lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành
mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU
Nhằm tạo điều kiện cho người học có một bộ tài liệu tham khảo mang tính tổng hợp,
thống nhất và mang tính thực tiễn sâu hơn. Nhóm người dạy chúng tôi đề xuất và biên soạn
Giáo trình: Địa chất công trình dành riêng cho người học trình độ cao đẳng chuyên ngành
Xây dựng công trình thủy
Nội dung của giáo trình bao gồm các bài sau:
Chương 1: Đại cương về Trái đất và đất đá.
Chương 2: Chuyển động kiến tạo, địa mạo và lịch sử địa chất
Chương 3: Nước dưới đất
Chương 4: Đất đá và tính chất địa chất địa chất công trình
Chương 5: Các quá trình và hiện tượng địa chất công trình
Chương 6: Các phương pháp nghiên cứu địa chất công trình
Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã tham khảo và trích dẫn từ nhiều tài liệu được liệt
kê tại mục Danh mục tài liệu tham khảo. Chúng tôi chân thành cảm ơn các tác giả của các tài
liệu mà chúng tôi đã tham khảo.
Bên cạnh đó, giáo trình cũng không thể tránh khỏi những sai sót nhất định. Nhóm tác giả
rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phản hồi từ quý đồng nghiệp, các bạn người học và bạn đọc. Trân trọng cảm ơn./. Người biên soạn Trần Ngọc Duy MỤC LỤC
Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ TRÁI ĐẤT VÀ ĐẤT ĐÁ .................................................. 1
1. Vị trí trái đất trong không gian ...................................................................................... 1
2 Cấu tạo trái đất và thành phần vật chất vỏ trái đất ......................................................... 2
2.1. Nguồn gốc trái đất và sự tiến hoá của nó. .................................................................. 2
2.2. Vỏ quả đất và các hiện tượng địa chất diễn ra trong nó ............................................. 2
2.2.1. Hình dạng, kích thước, hình thái bề mặt của trái đất. .............................................. 2
2.2.2. Cấu tạo bên trong và đặc điểm vật chất tạo thành vỏ trái đất. ................................. 4
2.3. Các hiện tượng địa chất chính của vỏ Trái đất ........................................................... 6
2.3.1. Hiện tượng kiến tạo ................................................................................................. 6
2.3.2. Hiện tượng magma .................................................................................................. 6
2.3.3. Hiện tượng trầm tích ................................................................................................ 7 2.3.4. Hiện tượng biến chất
................................................................................................ 7
3. Khoáng vật và khoáng vật tạo đá .................................................................................. 7
3.1. Khái niệm về khoáng vật. ........................................................................................... 7
3.2. Một số đặc tính của khoáng vật. ................................................................................. 8
3.3. Phân loại khoáng vật. ................................................................................................ 10
3.4. Một số khoáng vật tạo đá chủ yếu. ........................................................................... 11
4. Các quá trình hình thành và biến đổi đá ...................................................................... 14 5. Kiến trúc, cấu tạo và thế nằm của đất đá
..................................................................... 15
6. Đặc điểm chủ yếu của các loại đá. ............................................................................... 15
Chương 2: CHUYỂN ĐỘNG KIẾN TẠO, ĐỊA MẠO VÀ LỊCH SỬ ĐỊA CHẤT ....... 24
1. Chuyển động kiến tạo. ................................................................................................. 25
1.1. Khái niệm chuyển động kiến tạo địa chất. ................................................................ 25
1.2. Những biểu hiện chuyển động kiến tạo địa chất ....................................................... 25
1.3. Ảnh hưởng của kiến tạo đến xây dựng công trình .................................................... 28
2. Địa mạo. ....................................................................................................................... 29
2.1. Khái niệm địa mạo và các loại địa mạo theo nguyên nhân hình thành .................... 29
2.1.1. Khái niệm địa mạo ................................................................................................. 29
2.1.2. Các loại địa mạo theo nguyên nhân hình thành. .................................................... 29
2.2. Các nhân tố hình thành địa mạo. .............................................................................. 30
2.3. Địa mạo trong xây dựng công trình. ......................................................................... 32
3. Sơ lược sự phát triển lịch sử địa chất (Theo Wikipedia) .............................................. 33
4. Đặc điểm địa chất công trình Việt Nam ...................................................................... 42
Chương 3: NƯỚC DƯỚI ĐẤT ....................................................................................... 45
1. Khái niệm về nước dưới đất – Các loại nước dưới đất. ............................................... 46
1.1. Khái niệm nước dưới đất . ........................................................................................ 46
1.2. Các loại nước dưới đất. ............................................................................................. 48 2. Tính chất nước dưới đất.
.............................................................................................. 55
2.1. Một số tính chất vật lý. ............................................................................................. 55
2.2. Một số tính chất hóa học. .......................................................................................... 56
2.3. Tác dụng nước ngầm đối với xây dựng công trình ................................................... 62
3. Các hình thức vận động của nước dưới đất ................................................................ 62
4. Định luật cơ bản về vận động nước dưới đất ............................................................... 64
5. Vận động của nước dưới đất trong điều kiện tự nhiên ..................................................... 70
5.1. Vận động của nước dưới đất trong đất đá đồng nhất ..................................................... 70
5.2. Vận động của nước dưới đất trong đất đá không đồng nhất ..................................... 76
5.2.1. Trường hợp tầng chứa nước gồm hai lớp đất có hệ thấm khác nhau và có đáy cách
nước nằm ngang. ......................................................................................................................... 76
5.2.2. Vận động ổn định của nước dưới đất trong các lớp đất đá không đồng nhất. ....... 78
5.2.3. Giếng khoan và dòng thấm chảy vào giếng khoan ................................................ 79
5.2.4. Xác định lưu lượng dòng ngầm chảy ổn định vào giếng. ...................................... 81
5.2.5. Dòng thấm tới các công trình tiêu thoát nước đơn nằm ngang. ............................ 94
Chương 4: ĐẤT ĐÁ VÀ TÍNH CHẤT ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ............................. 99
1.Đất đá và phân loại đất đá trong địa chất công trình .................................................. 100
1.1. Khái niệm đất đá ..................................................................................................... 100
1.2. Phân loại đất đá trong địa chất công trình .............................................................. 100
2.Thành phần của đất rời và đất dính ............................................................................. 101
2.1 Thành phần hạt ......................................................................................................... 101
2.1.1. Khái niệm thành phần hạt .................................................................................... 101
2.1.2. Biểu thị thành phần hạt ........................................................................................ 103
2.2. Thành phần khoáng vật ........................................................................................... 105
2.3. Thành phần hóa học ................................................................................................ 105
3.Tính chất cơ lý của đất đá ........................................................................................... 106
3.1. Khái niệm chung .....................................................................................................106
3.2. Các chỉ tiêu tính chất vật lý ....................................................................................107
3.3. Các chỉ tiêu tính chất cơ học ...................................................................................108
3.3.1. Tính kẻ rỗng của đất ............................................................................................108
3.3.2. Tính thấm nước của đất .......................................................................................109
3.3.3. Tính co ép của đất ................................................................................................111
3.3.4. Tính chống cắt của đất .........................................................................................113
3.4. Các chỉ tiêu tính toán .............................................................................................. 115
3.4.1. Tính chất chứa nước của đất ................................................................................ 115
3.4.2. Tính chất của đất dính khi tác dụng với nước ..................................................... 116
3.4.3. Quan hệ giữa các chỉ tiêu vật lý ........................................................................... 117
4. Đặc điểm địa chất công trình đá cứng và đá nửa cứng ............................................. 118
5. Đặc điểm địa chất công trình của đất rời và đất dính ................................................ 119
5.1. Phân loại đất rời ...................................................................................................... 119
5.2. Phân loại đất dính ................................................................................................... 119
5.3. Phân loại đất (tổng quát) theo Matx-lốp ................................................................. 119
Chương 5: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ........ 121
1. Khái niệm và phân loại các quá trình, hiện tượng địa chất công trình ...................... 121
2. Hiện tượng phong hóa ............................................................................................... 122
2.1. Khái niệm và các loại phong hóa. ........................................................................... 122
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phong hóa ....................................................... 122
2.3. Vỏ phong hóa và đặc tính phân đới ........................................................................ 123
2.4. Biện pháp ngăn ngừa hiện tượng phong hoá. ........................................................ 124
3. Hiện tượng lũ bùn đá .................................................................................................. 124
3.1. Đặc điểm của dòng lũ bùn đá ................................................................................. 124
3.2. Điều kiện hình thành lũ bùn đá ............................................................................... 125
3.3. Các biện pháp phòng ngừa lũ bùn đá ...................................................................... 125
4. Hiện tượng xâm thực lòng sông ................................................................................. 127
4.1. Hiện tượng xâm thực lòng sông và những tác động ............................................... 127
4.1.1. Khái niệm. ............................................................................................................ 127
4.1.2. Các dạng xói mòn, xói lở. .................................................................................... 127
4.2. Quy luật hoạt động của dòng chảy trong sông ....................................................... 128
4.3. Biện pháp ngăn ngừa tác dụng xâm thực lòng sông ............................................... 131
5. Hiện tượng dốc trượt .................................................................................................. 131
5.1. Khái niệm và nguyên nhân làm phát sinh trượt ......................................................131
5.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát sinh, phát triển trượt. .......................131
5.3. Các hình thức trượt và phương pháp đánh giá độ ổn định mái dốc ........................131
5.4. Biện pháp phòng chống trượt. ................................................................................134
6. Hiện tượng đá đổ, đá lở .............................................................................................134
6.1. Khái niệm chung .....................................................................................................134
6.2. Cơ chế hoạt động của đá đổ, đá lở ..........................................................................135
6.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đá đổ, đá lở .............................................. 135
6.4. Các biện pháp phòng chống đá đổ, đá lở ................................................................ 137
7. Hiện tượng karst (cacstơ). .......................................................................................... 138
7.1. Khái niệm và điều kiện hình thành Karst ............................................................... 138
7.2. Các hình thái biểu hiện Karst .................................................................................. 139
7.3. Biên pháp phòng chống karst. ................................................................................ 139
8. Hiện tượng xói ngầm và cát chảy .............................................................................. 140
8.1. Hiện tượng xói ngầm. ............................................................................................. 140
8.1.1. Khái niệm. ............................................................................................................ 141
8.1.2. Điều kiện phát sinh, phát triển xói ngầm ............................................................. 141
8.2. Hiện tượng đất chảy (hay cát chảy). ....................................................................... 141
8.2.1. Khái niệm. ............................................................................................................ 141
8.2.2. Các loại cát chảy. ................................................................................................. 141
8.2.3. Biện pháp chống cát chảy: ................................................................................... 141
9. Hiện tượng động đất. ................................................................................................. 142
9.1. Nguyên nhân hình thành động đất .......................................................................... 142
9.2. Đặc điểm của hiện tượng động đất và các ảnh hưởng đến công trình xây dựng .... 144
9.3. Xây dựng công trình trong vùng động đất .............................................................. 146
Chương 6: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ........ 147
Mục tiêu chương: ........................................................................................................... 147
1. Khái niệm chung ........................................................................................................ 147
1. 1.Nội dung của khảo sát địa chất công trình. .............................................................. 148
1.2. Nhiệm vụ của khảo sát địa chất công trình ............................................................. 148
1.3. Điều kiện địa chất công trình .................................................................................. 149
2. Đo vẽ địa chất công trình ........................................................................................... 149
3. Thăm dò địa vật lý trong nghiên cứu địa chất công trình .......................................... 149
4. Khoan, đào thăm dò trong địa chất công trình........................................................... 150
5. Thí nghiệm trong phòng ............................................................................................152
6. Thí nghiệm ngoài hiện trường ...................................................................................152
7. Quan trắc dài hạn địa chất công trình ........................................................................159
7.1. Công trình xây dựng dân dụng. ..............................................................................159
7.2. Công trình thủy lợi. .................................................................................................159
8. Chỉnh lý tài liệu thí nghiệm .......................................................................................161
8.1. Nội dung chỉnh lý: ..................................................................................................161 8.2. Các bước chỉnh lý
................................................................................................... 162
DANH MỤC BẢNG Bảng 1 - 1. Bảng các thông số về kích thước của trái đất (theo
IUGG,1975) ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 1 - 2 Thành phần các nguyên tố chính trong vỏ trái đất........................................... 5
Bảng 1 - 3 Thành phần các ô xyt chủ yếu của vỏ trái đất ( % trọng lượng) ...................... 6
Bảng 3 – 1: Bảng phân loại nước dưới đất (theo Xavarenski F. P. 1939) ....................... 55
Bảng 3 – 2: Phân loại nước theo độ khoáng hóa ............................................................. 58
Bảng 3 – 3: Đánh giá độ cứng của nước ......................................................................... 59
Bảng 3 – 4: Dạng ăn mòn của nước dưới đất đối với bê tông ......................................... 61
Bảng 3 – 5: Đánh giá chất lượng nước dùng trong xây dựng ......................................... 62
Bảng 4 - 1: Hàm lượng trung bình của một số nguyên tố vi lượng trong thạch quyển và
trong đất (theo Vinogrado, 1949) .................................................................................. 112
Bảng 4 - 2: Bảng phân loại đất dựa vào độ sệt B .......................................................... 124
Bảng 4 - 3: Bảng phân loại đất thuần theo Matx – lốp .................................................. 127
Bảng 5 - 1: Bảng phân loại đất nguyên nhân gây tụt lở ................................................ 144
Bảng 5 – 2: Cấp động đất theo Richter .......................................................................... 151
Bảng 6 – 1: Kích thước cắt cánh và hệ số K ................................................................. 165
Bảng 6 – 2: Quan hệ N30 với D của đất hạt rời ( theo Terzaghi và Peck) ..................... 166
Bảng 6 – 3: Quan hệ N30 với độ sệt và qn của đất dính Bảng 6 – 4: Quan hệ giữa số búa
nện với các chỉ tiêu vật lý, cơ học của đất (khi xuyên ................................................. 166
sâu 30cm) .................................................................................................................................. 167
Bảng 6 – 5: Xác định độ chặt của đất cát theo sức kháng đơn vị đầu mũi xuyên ......... 168
(TCVN 174-1989) ......................................................................................................... 168
Bảng 6 – 6: Ước chừng khối lượng thăm dò khảo sát ở vùng hồ chứa nước ................ 170 DANH MỤC HÌNH
Hình 1 -1: Vị trí trái đất trong không gian ......................................................................... 2
Hình 1 -3: Hệ thống kính tuyến, vĩ tuyến .......................................................................... 3
Hình 1 – 5: Mác ma nóng chảy ......................................................................................... 6
Hình 1 - 6: Hình ảnh khoáng vật ...................................................................................... 7
Hình 1 – 7: Hình ảnh một số khoáng vật ......................................................................... 10
Hình 1 – 8: Chu trình tạo đá ........................................................................................... 15
Hình 1 – 9: Đá mác ma ................................................................................................... 15
Hình 1 – 10: Đá granit .................................................................................................... 17
Hình 1 – 11: Đá Syenit ................................................................................................... 17
Hình 1 – 12: Đá Điorit .................................................................................................... 17
Hình 1 – 13: Đá Gabro .................................................................................................... 18
Hình 1 – 14: Đá bazan .................................................................................................... 18
Hình 1 – 15: Đá andesit .................................................................................................. 19
Hình 1 – 16: Tro núi lửa ................................................................................................. 19
Hình 1 – 17: Cuội, sỏi ..................................................................................................... 20
Hình 1 – 18: Cát .............................................................................................................. 20
Hình 1 - 19a Hình ảnh một số đá trầm tích thường gặp ................................................. 21
Hình 1 - 19b Hình ảnh một số đá trầm tích thường gặp ................................................. 21
Hình 1 – 19c: Hình ảnh một số đá trầm tích thường gặp................................................. 21
Hình 1 - 20a: Hình ảnh một số đá biến chất thường gặp ................................................ 23
Hình 1 – 20b: Hình ảnh một số đá biến chất thường gặp ............................................... 24
Hình 1 – 20c: Hình ảnh một số đá biến chất thường gặp ............................................... 24
Hình 2 – 1: Dấu vết mực nước biển khi biển thoái (Hà Tiên, Việt Nam) ....................... 26
Hình 2 – 2: Sơ đồ xác định thế nằm nghiêng của lớp đá trầm tích .................................. 26
Hình 2 – 3: Cấu tạo nếp uốn ........................................................................................... 27
Hình 2 – 4: Cấu tạo đứt gãy ............................................................................................. 27
Hình 2 – 5: Đứt gãy ngang ............................................................................................... 28
Hình 2 – 6: Hình ảnh nếp uốn bối tà và vết nứt (Đông Phi) ............................................ 28
Hình 2 – 7: Mô hình sự dịch chuyển các mảng kiến tạo trong vỏ quả đất ...................... 28
Hình 2 - 8: Tượng William Smith tại Bảo tàng lịch sử tự nhiên Đại học Oxford. ......... 36
Hình 2 - 9: Bức họa Whiston với sơ đồ minh họa về học thuyết tai biến liên quan đến
sao chổi của ông mô tả rõ nhất về học thuyết mới về Trái Đất ..................................................
37 Hình 2 - 10: Bản đồ địa chất Anh do William Smith vẽ năm 1815................................ 40
Hình 2 - 11: Alfred Wegener, khoảng năm 1925 ........................................................... 41
Hình 3 – 1: Sơ đồ tầng chứa nước không áp ................................................................... 46
Hình 3 – 2: Sơ đồ tầng chứa nước có áp .......................................................................... 47
Hình 3 – 3: Sơ đồ nước tầng trên và nước ngầm không áp ............................................. 49
Hình 3 – 4: Sơ đồ phân bố miền cung cấp và miền thoát của bồn ắc-tê-di .................... 52
Hình 3 –5: Sơ đồ tầng trữ nước khe nứt .......................................................................... 53
Hình 3 – 6: Sơ đồ chiều sâu thế nằm của nước nhạt trong đụn cát ven biển ................... 54
Hình 3 – 7: Sơ đồ dòng chảy nước dưới đất .................................................................... 63
Hình 3 – 8: Mô hình dòng chảy trong ống ....................................................................... 65
Hình 3 – 9: Sơ đồ cột nước áp lực thủy tĩnh .................................................................... 65
Hình 3 – 10: Đồ thị đường cong mực nước ..................................................................... 66
Hình 3 – 11: Sơ đồ thí nghiệm thấm Darcy ..................................................................... 68
Hình 3 – 12: Đồ thị biểu diễn định luật thấm .................................................................. 70
Hình 3 – 13: Sơ đồ tính lưu lượng tầng chứa nước ngầm đáy phẳng, ngang .................. 70
Hình 3 – 14: Sơ đồ tính lưu lượng tầng chứa nước ngầm đáy cách nước nghiêng ......... 72
Hình 3 – 15: Sơ đồ tầng chứa nước áp có độ dày không đổi ........................................... 73
Hình 3 – 16: Sơ đồ tầng chứa nước có áp ........................................................................ 75 có độ dày thay đổi
............................................................................................................ 75 Hình 3 – 17: Sơ
đồ hai lớp đất song song với phương dòng thấm .................................. 76
Hình 3 – 18: Sơ đồ lớp đất thay đổi theo phương dòng thấm ......................................... 77
Hình 3 – 19: Dòng thấm song song với các mặt phân lớp ...............................................
78 Hình 3 – 20: Dòng thấm vuông góc với các mặt phân lớp ..............................................
79 Hình 3 – 21: Bán kính ảnh hưởng R ................................................................................
80 Hình 3 – 22: Dòng thấm chảy vào giếng khoan không áp hoàn chỉnh ...........................
82 Hình 3 – 23: Sơ đồ giếng khoan không áp không hoàn chỉnh ......................................... 84
Hình 3 – 24: Dòng thấm vào giếng có áp hoàn chỉnh ..................................................... 87
Hình 3 – 25: Sơ đồ giếng có áp không hoàn chỉnh (nước thấm qua thành giếng) .......... 89
Hình 3 – 26: Kênh đơn thoát nước hoàn chỉnh ................................................................ 95
Hình 3 – 27: Kênh đơn thoát nước không hoàn chỉnh ..................................................... 95
Hình 3 – 28: Sơ đồ hệ thống kênh thoát nước hoàn chỉnh .............................................. 97
Hình 4 - 1: Phương pháp phân tích thành phần hạt bằng tỷ trọng kế ............................ 102
Hình 4 - 2: Biểu đồ phân tích thành phần hạt của một loại đất ..................................... 104
Hình 4 - 3: Biểu đồ phân tích thành phần hạt 3 loại đất ................................................ 104
Hình 4 - 4: Mô hình trạng thái 3 pha của đất ................................................................. 107
Hình 4 - 5: Mô hình thí nghiệm thấm Darcy ................................................................. 110
Hình 4 -6: Sơ đồ thí nghiệm nén lún 1 trục không nở hông .......................................... 112
Hình 4 - 7: Đồ thị đường cong nén lún .......................................................................... 112
Hình 4 - 8: Sơ đồ thí nghiệm cắt đất .............................................................................. 114
Hình 5 – 1: Mô tả tầng tàn tích (nguyên vẹn) ............................................................... 124
Hình 5 – 2: Cấu tạo một thung lũng sông ...................................................................... 128
Hình 5 – 3: Sự thành tạo hồ móng ngựa (Hình tư liệu) ................................................. 130
Hình 5 – 4: Công trình chỉnh dòng: đập mỏ hàn ........................................................... 130
Hình 5 – 5: Trượt lở bờ sông (suối) ............................................................................... 131
Hình 5 – 6: Sơ đồ mặt trượt giả định đối với đất rời ..................................................... 132
Hình 5 – 7: Sơ đồ dạng mái đất đối với đất dính ........................................................... 132
Hình 5 – 8: Sơ đồ mặt trượt lăng trụ tròn ...................................................................... 133
Hình 5 – 9: Sơ đồ các lớp đất nằm ngang trên mái dốc ................................................. 133
Hình 5 – 10: Một số biện chống trượt chủ động ............................................................ 134
Hình 5 – 11: Khối castơ ................................................................................................. 138
Hình 5 – 12: Hố sụt do karst (Hình tư liệu) ................................................................... 140
Hình 5 – 13: Hiện tượng xói ngầm trong lớp đất mịn ................................................... 140
Hình 5 – 14 : Dạng cát chảy .......................................................................................... 141
Hình 5 – 15: Biểu đồ vùng hóa lỏng .............................................................................. 145
Hình 6 – 1: Thiết bị giàn khoan máy ............................................................................. 150
Hình 6 – 2: Biểu đồ ứng suất theo chiều sâu ................................................................. 151
Hình 6 – 3: Sơ đồ thí nghiệm đổ nước trong hố đào ..................................................... 152
Hình 6 – 4: Sơ đồ thí nghiệm nén tĩnh ........................................................................... 153
Hình 6 – 5: Sơ đồ bàn nén hiện trường .......................................................................... 153
Hình 6 – 6: Sơ đồ thí nghiệm nén ép hông .................................................................... 154
Hình 6 – 7: Đồ thị quan hệ sự thay đổi bán kính buồng nén Δτ .................................... 155
Hình 6 – 8: Sơ đồ thí nghiệm cắt cánh .......................................................................... 156
Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ TRÁI ĐẤT VÀ ĐẤT ĐÁ Mục tiêu chương:
Học xong chương này người học có khả năng: * Kiến thức:
- Trình bày được nguồn gốc, vị trí Trái đất trong vũ trụ.
- Cấu tạo trái đất và thành phần vật chất vỏ Trái đất.
- Khái niệm khoáng vật và các loại khoáng vật tham gia tạo đá.
- Trình bày các quá trình thành, biến đổi và kiến trúc cấu tạo của đá.
- Trình bày các đặc điểm của các loại đá theo nguyên nhân thành tạo. * Kỹ năng:
- Phân biệt được các loại khoáng vật tham gia tạo đá
- Phân tích được quá trình hình thành, biến đổi và kiến trúc cấu tạo của đá
- Phân tích được các đặc điểm của các loại đá theo nguyên nhân thành tạo
* Năng lực tự chủ và trách nhiệm -
Có thái độ nghiêm túc trong học tập -
Có tính cẩn thận, tỷ mỷ, chịu khó.
- Hợp tác với thầy cô để thực hiện công việc.
Nội dung chính của chương:
1. Vị trí trái đất trong không gian
- Hệ mặt trời gồm có 8 hành tinh: Sao Thủy, sao Kim, Trái Đất, sao Hỏa, sao Mộc,
sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương.
- Theo đó, Trái Đất nằm ở vị trí thứ ba theo thứ tự xa dần của hệ Mặt Trời.
=> Vị trí thứ ba của Trái Đất là một trong những điều kiện rất quan trọng để góp phần nên
trái đất là hành tinh duy nhất có sự sống trong Hệ Mặt Trời. Sao Kim (Venus) Sao Thủy (Mercury) Sao Hỏa (Mars)
Sao Mộc được xếp vào nhóm hành tinh khí khổng lồ cùng với Sao Thổ (Sao Thiên Vương
và Sao Hải Vương được xếp vào hành tinh băng khổng lồ). ... Người La Mã đặt tên hành tinh
theo tên của vị thần Jupiter
Sao Thiên Vương đặt tên theo vị thần bầu trời của người Hy Lạp cổ Uranus (tiếng Hy Lạp
cổ: Ο ανός)), cha của Cronus (Saturn) và ông của Zeus (Jupiter), trong tiếng Latin viết là
"Ūranus". Nó là hành tinh duy nhất lấy theo tên từ một vị thần trong thần thoại Hy Lạp thay vì trong thần thoại La Mã.
Sao Thổ (Saturn) Trong tiếng La Mã, hành tinh này có tên là Saturn
Năm 1846, các nhà thiên văn học tiếp tục phát hiện một hành tinh mới nhìn qua kính thiên
văn có màu xanh lam. Họ lấy tên thần biển Neptune trong thần thoại La Mã, tương đương với
thần Poseidon trong thần thoại Hy Lạp, đặt cho hành tinh này. Đây là Hải Vương Tinh.
Sao Diêm Vương hay Diêm Vương tinh (chữ Hán: 閻王星), cũng được định danh hình
thức là 134340 Pluto (từ tiếng La tinh: Plūto, tiếng Hy Lạp: Πλούτωό), là hành tinh lùn nặng thứ
hai đã được biết trong Hệ Mặt Trời (sau Eris) và là vật thể nặng thứ mười trực tiếp quay quanh Mặt Trời.
Hình 1 -1: Vị trí trái đất trong không gian
2 Cấu tạo trái đất và thành phần vật chất vỏ trái đất
2.1. Nguồn gốc trái đất và sự tiến hoá của nó. -
Từ xưa đã được con người và nhiều ngành khoa học như thiên văn, địa lý địa chất,
vật lý, triết học quan tâm nghiên cứu giải thích. Nhận thức trải qua nhiều giai đoạn. -
Ngày nay người ta nhận thấy sự hình thành và phát triển của trái đất có liên quan
với thành phần vật chất, các diễn biến tiến hoá của các trường địa - vật lý, các trạng thái địa nhiệt,
với nguồn gốc của các vòng quyển bao quanh trái đất; mặt khác nhiều tư liệu cho thấy sự hình
thành trái đất chịu ảnh hưởng rất lớn của các hệ thống thiên thể gần và xa trong vũ trụ, mà quan
trọng hơn cả là hệ mặt trời.
2.2. Vỏ quả đất và các hiện tượng địa chất diễn ra trong nó
2.2.1. Hình dạng, kích thước, hình thái bề mặt của trái đất.
a) Hình dạng trái đất: Trái đất có dạng hình cầu
Hình 1 -2: Hình dạng trái đất
Newton đã chứng minh rằng dưới tác dụng của lực hấp dẫn, trái đất bị ép theo phương
trục quay và có dạng của elipxoit.
Quan sát của vệ tinh nhân tạo cho thấy trái đất có dạng hình quả lê. So với dạng elipxoid
lý tưởng thì cực bắc nhô ra 10m, cực nam lõm vào 30m, địa hình bề mặt trái đất lồi lõm chênh nhau tương đối lớn.
b) Hệ thống kinh tuyến và vĩ tuyến:
- Kinh tuyến: là những đường nối liền 2 điểm cực Bắc và cực Nam quả địa cầu. -
Vĩ tuyến: là những vòng tròn vuông góc với kinh tuyến trên quả địa cầu.
Hình 1 -3: Hệ thống kính tuyến, vĩ tuyến
c) Kích thước trái đất.
Như trên đã nói, bán kính của trái đất không đều nhau. Bán kính ở xích đạo (a) lớn hơn
ở cực là 21.384m. Ngoài ra người ta cũng nhận thấy các bán kính ở mặt phẳng xích đạo cũng có sự chênh nhau.
Bảng 1 - 1. Bảng các thông số về kích thước của trái đất (theo IUGG,1975)
Bán kính xích đạo (a): 6378, 14 km
Chu vi xích đạo : 40075, 24 km
Bán kính ở cực (b): 6356,77 km
Chu vi kinh tuyến 40008,08 km
Bán kính bình quân (a2b)1/3: 6371, 01 km
Diện tích trên mặt: 510,07 x 106 km2 Độ dẹt d b
Thể tích (V): 1,0832 x 1012 km3 1/298 a a Trọngkhối (M):(95,942+0,0006)x1024kg
d) Hình thái bề mặt trái đất
Hình thái bề mặt trái đất gồm phần nổi trên mặt nước lục địa, chiếm 29,2% diện tích
bề mặt trái đất và phần chìm dưới nước biển chiếm 70,8%, tỷ lệ hai phần khoảng 1:2,5.
Bề mặt của trái đất không bằng phẳng: -
Đỉnh cao nhất trên lục địa là Chumolungma (thuộc Hymalaya) cao 8848,13 m ; Hố
sâu nhất là Mariana (Thái Bình Dương), sâu - 11033 m. -
Độ cao trung bình của lục địa là 875 m, ở biển bồn trũng sâu dưới - 4000 đến 6000
mét có diện tích rất rộng chiếm 30,8%. -
Độ sâu trung bình của biển là - 3729 m.
2.2.2. Cấu tạo bên trong và đặc điểm vật chất tạo thành vỏ trái đất.
a) Cấu tạo dạng quyển (vòng). -
Các kết quả đo đạc vật lý cho thấy cấu tạo trái đất có sự phân chia thành các quyển
(những vòng bao quanh tâm trái đất có sự đồng nhất về thành phần vật chất). -
Dựa theo kết quả nghiên cứu phối hợp các phương pháp địa - vật lý và địa chấn đã
đo tốc độ truyền sóng dọc (Vp) và tốc độ truyền sóng ngang (Vs) khi đi qua vật chất bên trong
trái đất người ta chia trái đất ra 3 vòng cấu tạo lớn là vỏ trái đất, manti và nhân trái đất. + Vỏ trái đất.
Vỏ trái đất (thạch quyển hay quyển đất đá) là phần vật chất rắn bọc ngoài của trái đất nằm trên bề mặt Môhô.
Trong phần vỏ trái đất tốc độ truyền sóng Vp thay đổi từ 6,5÷7,0 đến 7,4 km/s, nhưng
khi sang phần manti thì Vp tăng đột ngột đến 7,9÷ 8, có 8,2÷ 8,3km/s. Còn tốc độ Vs trong phần
vỏ là 3,7 ÷ 3,8km/s đến manti thì đột ngột tăng lên 4,5 ÷ 4,7 km/s.
Như vậy có một mặt ranh giới phân chia vỏ và manti thể hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc
độ sóng. Mặt ranh giới này gọi là mặt Mohorovixic (lấy tên nhà địa vật lý người Nam Tư, bề mặt
này do ông phát hiện năm 1909, còn gọi là bề mặt Môhô (hay bề mặt M).
Vỏ trái đất dày mỏng tuỳ nơi (do bề mặt Môhô có dạng lượn sóng nâng cao hơn hoặc hạ
thấp xuống), bình quân là 11÷12km. Ở đáy các đại dương vỏ dày 5÷10 km, trong các miền
đồng bằng là 30 ÷40 km, ở vùng núi cao là 50 ÷ 75 km (dày nhất là ở núi Anpơ và Hymalaya). + Manti (mantle)
Được phân bố từ phần dưới vỏ trái đất từ 60 ÷70 đến độ sâu 2900km. Tại đây lại có một
mặt ranh giới phân chia manti với nhân trái đất (biểu hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ truyền
sóng địa chấn. Vp từ 13,64 km/s xuống 7,98 km/s, còn Vs nguyên là 7,23 km/s đột nhiên biến
mất).Thành phần hợp chất hóa học chủ yếu: Các hợp chất silicat với thành phần chủ yếu là sunfua.
Hình 1 – 4: Cấu tạo bên trong trái đất + Nhân trái đất.
Tính từ độ sâu 2900 km đến tâm Trái đất (6370km), chia làm 3 lớp: nhân ngoài (từ độ
sâu 2900 ÷ 4980 km), lóp chuyển tiếp (từ 4980 ÷ 5120 km) và nhân trong (từ 5120 ÷ 6370 km).
Có nhiệt độ rất cao 40000C, áp suất > 1,5 triệu atm.
Thành phần hợp chất hóa học chủ yếu là các hợp chất sunfua sắt, niken. b)
Cấu tạo vỏ trái đất.
Trạng thái vật chất của vỏ trái đất: gồm các đá và đất (các nhóm đá chính: đá mac ma, đá
trầm tích và đá biến chất), chiếm 1,55% tổng thể tích và khoảng 0,8% tổng lượng của trái đất.
Tỷ trọng trung bình là 2,6 - 2,9 g/cm3. Căn cứ các tài liệu địa - vật lý chia ra 2 kiểu vỏ chính là
vỏ lục địa, vỏ đại dương và 2 kiểu phụ là vỏ á lục địa và vỏ á đại dương.
+ Kiểu vỏ lục địa có bề dày không đều: Ở vùng nền (vùng ổn định) có bề dày 35- 40 km
; vùng công trình tạo núi trẻ có bề dày 55-70km ;
+ Kiểu vỏ đại dương: Đặc trưng của kiểu vỏ đại dương là không có lớp granitognai. Bề
dày chỉ từ 5-12km, trung bình là 6-7 km.
+ Kiểu vỏ á lục địa: Loại này gặp ở những cung đảo (Alent, Kuril...) bao quanh lục địa.
Cấu trúc gần với kiểu vỏ lục địa nhưng bề dày nhỏ, chỉ 20-30km và có đặc điểm là các lớp cứng hoá không rõ ràng.
c) Thành phần các nguyên tố của vỏ trái đất.
+ Vỏ trái đất có 8 nguyên tố chủ yếu: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, Mg, K, trong đó O, Si, Al
chiếm đa số (còn gọi là các Alumoslicat) chiếm hơn 80% trọng lượng vỏ. Còn lại là Ti ~ 0,52%;
C ~ 0,46; Mn ~ 0,12; S ~ 0,11 và các nguyên tố khác ~ 0,37%.
+ Các nguyên tố kim loại có ích (Cu, Pb, Zn...) chiếm tỷ lệ rất thấp (ví dụ theo thống kê
của các tác giả trên Cu có từ 0,0047 - 0,01%; Pb từ 0,00016 - 0,0002%
Bảng 1 - 2 Thành phần các nguyên tố chính trong vỏ trái đất Các nguyên tố (%) O 49.52 Si 25.75 Al 7.15 Fe 4.70 Ca 3.39 Na 2.64 Mg 1.94 K 2.43
Bảng 1 - 3 Thành phần các ô xyt chủ yếu của vỏ trái đất ( % trọng lượng) Các oxyt
SiO2 Al2O3 CaO FeO Fe2O3 MgO Na2O K2O TiO2 Ở vỏ lục địa 60,2 15,2 5,5 3,8 2,5 3,1 3,0 2,9 0,6 Ở vỏ đại dương 48,8 17,0 11,9 6,6 2,0 7,0 2,7 0,2 1,4
Bình quân ở vỏ trái đất 60,3 16,3 5,3 4,2 2,5 3,2 3,7 2,3 0,8
2.3. Các hiện tượng địa chất chính của vỏ Trái đất
Các hiện tượng địa chất như hiện tượng kiến tạo, hiện tượng magma, hiện tượng trầm tích,
hiện tượng biến chất… là kết quả của các quá trình nội và ngoại sinh diễn ra trong lòng Trái đất
hay ở trên bề mặt Trái đất. Các hiện tượng này tạo nên sự đa dạng và phức tạp cho vỏ Trái đất.
2.3.1. Hiện tượng kiến tạo
- Hiện tượng kiến tạo là chuyển động cơ học của đất đá vỏ Trái đất do tác dụng của nội
lực gây ra. Nội lực hay còn gọi là lực kiến tạo có nguồn gốc bên trong vỏ Trái đất, liên quan với
quá trình phân hủy phóng xạ, các quá trình biến đổi hóa lý xảy ra trong các quyển bên trong Trái
đất. - Các vận động kiến tạo là nguyên nhân gây ra các biến dạng của đất đá trong vỏ Trái đất
cũng như tạo ra các đặc điểm cơ bản của địa hình bề mặt Trái đất... Kết quả của vận động kiến
tạo gây ra các chuyển động của các mảng thạch quyển, thay đổi thế nằm của đất đá, biến dạng
đất đá vỏ Trái đất.