《岩石鉴定与分析指南》-工程地质与土工试验检测

一、工作任务

通过沉积岩鉴定分析知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）了解沉积岩的概念及形成过程。

（2）掌握沉积岩的结构、构造、矿物成分等地质特性。

（3）掌握沉积岩的分类及工程地质特征。

二、相关配套知识

（一）沉积岩的形成过程

沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，由原岩（原来形成的岩浆岩、沉积岩和变质岩）经风化、搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。从体积上看，沉积岩只占地壳岩石体积的7.9%；但从分布面积看，它却占陆地面积的75%。沉积岩在地壳中形成的厚度各处不一，最厚可超过10 km，薄者只有数十米。

沉积岩是地表常见的岩石，各种建筑物如道路、桥梁、水坝等几乎都以沉积岩为地基，沉积岩也是建筑材料的重要来源。

1.原岩风化破碎作用

原岩经过风化作用，成为各种松散破碎物质，被称为松散沉积物，它们是构成新的沉积岩的主要物质来源。此外，在特定环境和条件下，大量生物遗体堆积而成的物质也是沉积物的一部分。风化破碎物质可分为三类：一是大小不等的岩石或矿物碎屑，称碎屑沉积物；二是颗粒粒径小于 0.005 mm 的黏土粒，称黏土沉积物；三是以离子或胶体分子形式存在于水中的化学沉积物。

2.沉积物的搬运作用

原岩风化破碎产物除少部分残留在原地外，大部分都要被搬运一定距离。搬运的动力有流水、风力、重力和冰川等。搬运方式则有机械（物理）搬运和化学搬运。

机械搬运主要搬运对象是碎屑和黏土沉积物。化学搬运以真溶液或胶体溶液方式搬运，主要搬运化学沉积物。

3.沉积物的沉积作用

1）机械沉积

当搬运动力（例如流水）逐渐减小时，被搬运的沉积物按其大小、形状和比重不同，先后停止搬运而沉积下来。碎屑物由大到小、由重到轻、由粒状到片状依次沉积下来。

2）化学沉积

真溶液中离子的沉淀和重新结晶与溶液中的pH值、温度和压力等许多因素有关，浓度超过溶解度时，多余的离子就会重新结晶析出而沉淀。化学沉积主要由于带正电荷的正胶体物质与带负电荷的负胶体物体相遇电价中和或胶体溶液逐渐脱水干燥而凝聚和沉积。

4.成岩作用

松散沉积物经过下述三种成岩作用中的一种或几种作用后，形成坚硬、完整的沉积岩石。

1）压固脱水作用

沉积物不断沉积，厚度逐渐加大。先沉积在下面的沉积物，承受着上覆愈来愈厚的新沉积物的巨大压力，使下部沉积物孔隙减小、水分排出、密度增大，最后形成致密坚硬的岩石，这种作用称为压固脱水作用。

2）胶结作用

各种松散的碎屑沉积物被不同的胶结物胶结而成坚固完整的岩石，这种作用称为胶结作用。最常见的胶结物有硅质、钙质、铁质和泥质的。

3）重新结晶作用

非晶质胶体溶液陈化脱水转化为结晶物质；溶液中微小晶体在一定条件下能长成粗大晶体。这两种现象都可称为重新结晶作用，从而形成隐晶或细晶的沉积岩。

（二）沉积岩的地质特性

1.沉积岩的结构

沉积岩的结构主要有下列3种。

1）碎屑结构

碎屑结构是碎屑物质被胶结物黏结起来而形成的一种结构，其特征有以下3点。

（1）颗粒大小。按碎屑粒径大小，碎屑结构分为下列几类。

砾状结构：碎屑粒径＞2 mm；粗砂结构：碎屑粒径为 2.0～0.50 mm；中砂结构：碎屑粒径为0.50～0.25 mm；细砂结构：碎屑粒径为0.25～0.075 mm；粉砂状结构：碎屑粒径为0.075～0.005 mm（公路上定碎屑粒径小于0.074 mm为粉砂状结构）。

（2）颗粒形状。这是指碎屑颗粒的磨圆程度，可分为尖棱角状、次棱角状、次圆状和圆状等4种。颗粒磨圆程度受颗粒硬度、相对密度的大小及搬运历程等因素的影响。

（3）胶结物及胶结方式。胶结物是指充填于沉积碎屑颗粒之间，并使之胶结成块的某些矿物质。胶结物的性质及胶结类型对碎屑岩类的物理力学性质有显著的影响。常见的胶结物有硅质、铁质、钙质、泥质、石膏质几种。

胶结类型指胶结物与碎屑颗粒之间的相对含量和颗粒之间的相互关系。常见的有基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结3种胶结方式。

2）泥质结构

泥质结构是由粒径小于 0.005 mm（各部门标准有所不同，如公路上定为粒径小于0.002 mm）的黏土颗粒组成的，是页岩和泥岩的主要结构。其特点是手摸有滑感，刀切面平滑，断口呈贝壳状。有粉砂混入物时叫作泥质-粉砂结构，具有粗糙感，刀切面粗糙，断口呈参差状。

3）化学结构和生物化学结构

离子或胶体物质从溶液中沉淀或凝聚出来时，经结晶或重结晶作用形成的是化学结构。生物化学结构是由生物遗体或生物碎片所组成的化学结构，例如生物碎屑结构、贝壳结构等。

2.沉积岩的构造

沉积岩的构造，是指沉积岩各个组成部分的空间分布和排列方式。

1）层理构造及块状构造

层理是沉积岩在形成过程中，由于沉积环境的改变所引起的沉积物质的成分、颗粒大小、形状或颜色在垂直方向发生变化而显示成层的现象。层理是沉积岩最重要的一种构造特征，是沉积岩区别于岩浆岩和变质岩的最主要标志。野外观察沉积岩都是成层产出的，但从厚层沉积岩中打回的小块手标本上不一定都能看到明显的层理。由于沉积环境和条件不同，层理构造形态有水平层理、斜交层理、波状层理三种。

2）层面构造、结核及化石(www.xing528.com)

（1）层面构造：在沉积岩岩层面上往往保留有反映沉积岩形成时流体运动、自然条件变化的痕迹，称层面构造。常见的层面构造有波痕、雨痕、泥裂等。

（2）结核：沉积岩中常含有与该沉积岩成分不同的圆球状或不规则形状的无机物包裹体，称结核。常见的结核有碳酸盐质、硅质、磷酸盐质、锰质及石膏质结核。

（3）化石：埋藏在沉积物中的古代生物遗体或遗迹，随沉积物成岩也石化成岩石一部分，但其形态却保留下来的称为化石。化石是沉积岩特有的构造特征，是研究地质发展历史和划分地质年代的重要依据。

3.沉积岩的矿物成分

组成沉积岩的常见矿物有20多种，按成因类型可划分为：

（1）碎屑矿物：原岩经风化破碎而生成的呈碎屑状态的物质，主要是一些物理化学性质较稳定的耐磨损、抗风化性强的矿物，如石英、长石、白云母等。

（2）黏土矿物：主要是一些原生矿物经化学风化作用所形成的次生矿物，如高岭石、蒙脱石、水云母等，这类矿物的粒径小于0.005 mm，是组成黏土岩的主要矿物成分。

（3）化学沉积矿物：从真溶液或胶体溶液中沉淀出来的或是由生物化学沉积作用形成的矿物，如方解石、白云石、石膏、盐岩、铁和锰的氧化物或氢氧化物等。

（4）有机物质及生物残骸：由生物残骸或经有机化学变化而形成的矿物，如贝壳、珊瑚礁、硅藻土、泥炭、石油等。

在以上矿物中，石英、长石及白云母也是岩浆岩中常见的矿物，其他矿物则是在地表条件下形成的特有矿物。

（三）沉积岩的分类及主要沉积岩的特征

1.沉积岩的分类

根据组成成分、结构和形成条件，沉积岩的分类如表1-2所示。

表1-2 主要沉积岩分类表

2.主要沉积岩的特征

1）碎屑岩类

此岩类具有碎屑结构，即岩石由碎屑物和胶结物两部分组成。鉴别碎屑岩时，先观察碎屑粒径的大小，区分是砾岩、砂岩还是粉砂岩；其次分析胶结物的性质和碎屑物质的主要矿物成分，判断所属的亚类，并确定岩石的名称。

砾岩及角砾岩由 50% 以上大于 2 mm 的碎屑颗粒胶结而成，由磨圆较好的砾石胶结而成的称为砾岩，由带棱角的角砾胶结而成的称为角砾岩。角砾岩是由于带棱角的岩块搬运距离不远即沉积胶结而成，砾岩则是岩屑经较长距离搬运磨蚀后再沉积、胶结而成的。砾石成分可以是矿物碎屑，但主要是岩屑。

砂岩是由 50% 以上2～0.005 mm粒级的颗粒胶结而成的，按粒度大小可细分为粗粒、中粒、细粒及粉粒砂岩，根据其主要碎屑成分又可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩。石英砂岩中 90% 以上的碎屑物质是石英，碎屑粒度均一，分选性好，磨圆度好，一般为硅质胶结，呈白色，质地坚硬，多为滨海沉积物。在长石砂岩的碎屑中，长石含量＞25%，岩屑含量＜10%，常为红色或黄色，一般为中、粗粒，分选性和磨圆度变化大，常为钙质或泥质胶结。岩屑砂岩中的岩屑占碎屑总量的 25% 以上，长石含量＜10%，岩屑成分多样，胶结物多为硅质、钙质、铁质、泥质，碎屑的分选性、磨圆度不好，颜色较深，呈灰、灰绿、灰黑等色。粉砂岩是0.05～0.005 mm粒级的颗粒含量＞50% 的岩石，碎屑成分以石英为主，长石次之，碎屑的磨圆度差，分选性好，胶结物常为黏土、钙质和铁质，常见颜色为棕红色或暗褐色，常具有薄的水平层理。粉砂岩的性质介于砂岩与黏土岩之间。

2）黏土岩类

黏土岩是粒径＜0.005 mm、主要由黏土矿物组成的岩石。常见的黏土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等。黏土岩中的其他成分有石英、长石、云母、褐铁矿等。黏土具可塑性、烧结性、吸附性、吸水性、耐火性等特性，黏土岩性质软弱，强度低，易产生压缩变形，抗风化能力较低，尤其是含蒙脱石等矿物的黏土岩，遇水后具有膨胀、崩解等特性。主要的黏土岩有以下两大类。

泥岩是由黏土经脱水固结而形成的，其特点是：固结不紧密、不牢固；层理不发育，常呈厚层状、块状；强度较低，一般干试样的抗压强度约在 5～35 MPa 之间，遇水易泥化，强度显著降低，饱水试样的抗压强度可降低 50% 左右；泥岩多形成于较新的地质时期。

页岩也是由黏土脱水胶结而成的，大部分有明显的薄层理，能沿层理分成薄片，这种特征也称页理，风化后多成碎片状或泥土状。页岩根据混入物的成分或岩石的颜色可分为钙质页岩、铁质页岩、硅质页岩、黑色页岩及碳质页岩等。除硅质页岩强度稍高外，其余的都易风化，性质软弱，浸水后强度显著降低。

3）化学岩及生物化学岩

化学岩及生物化学岩是由碳酸盐组成的岩石，以石灰岩和白云岩分布最为广泛。石灰岩在常温下遇稀盐酸剧烈起泡；泥灰岩遇稀盐酸起泡后留有泥点；白云岩在常温下遇稀盐酸不起泡，但加热或研成粉末后则起泡。多数岩石结构致密，性质坚硬，强度较高；但其主要特征是具有可溶性，在水流的作用下形成溶蚀裂隙、洞穴、地下河等岩溶现象。

石灰岩简称灰岩，在深海或浅海环境中形成，矿物成分以方解石为主，有时还可含有白云石、燧石等硅质矿物和黏土矿物等；结晶灰岩常呈深灰、浅灰色，纯质灰岩呈白色，具致密块状或层理构造，为化学结构；另外，由于沉积环境不同，常形成一些特殊结构的石灰岩，如鲕状灰岩、竹叶状灰岩、豆状灰岩、生物灰岩（如介壳状石灰岩、珊瑚石灰岩）等。

白云岩呈隐晶质或细晶粒状结构，其矿物成分主要为白云石，含有少量的方解石等；形成环境同灰岩，常为浅灰色、灰白色，硬度较灰岩略大；岩石风化面上常有刀砍状溶蚀沟纹，纯白云岩可作耐火材料。

石灰岩与白云岩之间的过渡类型有灰质白云岩、白云质灰岩等。

当石灰岩中黏土矿物含量达25%～50% 时，称为泥灰岩；颜色有灰色、黄色、褐色、红色等；强度低、易风化。泥灰岩可作为水泥原料。

（四）沉积岩的工程地质特征

沉积岩的成层构造，决定了沉积岩的各向异性，使其在不同方向上的工程地质性能有明显差异。沉积岩的工程地质特征，主要与其物质组成、结构、构造以及胶结物的性质和胶结方式有关。

1.碎屑岩的工程地质特征

碎屑岩的工程地质特征，主要取决于碎屑颗粒成分、胶结物性质和胶结方式。故碎屑岩的工程地质性能一般从以下三方面评价：

1）碎屑物成分

常见的沉积碎屑岩如砾岩及角砾岩，尽管角砾岩的岩性成分比较单一，而砾岩的岩性成分比较复杂，但它们的基本物质组成都相近，其碎屑颗粒主要是石英和长石。如果岩石的胶结物性质、胶结方式基本相同，则石英相对含量越多，岩石的强度就越高，如石英砂岩较长石砂岩强度高。

2）胶结物性质

当碎屑岩中的碎屑物成分及胶结方式基本相同时，其工程地质性能就取决于胶结物性质。一般情况下，硅质胶结的碎屑岩比铁质、钙质胶结的碎屑岩强度高，铁质胶结的碎屑岩比黏土质胶结的碎屑岩强度高。铁质胶结易风化，钙质胶结在地下水的作用下易产生岩溶，黏土质胶结易泥化。

3）胶结方式

当碎屑物成分及胶结物的性质基本相同时，碎屑岩的强度取决于胶结方式。基底式胶结强度较高，其次是孔隙式胶结的碎屑岩，工程地质性能相对较差的是接触式胶结的碎屑岩。

2.黏土岩的工程地质特征

主要由黏土矿物组成的黏土岩，遇水易软化和崩解，易风化，压缩性大，易产生沉陷变形，力学强度低。如果黏土岩以夹层或透镜体分布于坚硬岩层中时，作为建筑物的地基（围岩或边坡）是很不稳定的。但这类岩层透水性小，可作为隔水层。

3.化学岩及生物化学岩的工程地质特征

化学岩，一般工程地质性能较好，强度较高，如常见的石灰岩，强度较高，但具有可溶性，在工程活动中要注意具有侵蚀性 CO2的水侵蚀石灰岩形成岩溶现象的危害。性质相近的白云岩强度较石灰岩高，但白云岩层中易含石膏夹层，形成软弱层，降低强度和稳定性。

生物化学岩，一般工程地质性质较差，如生物石灰岩，主要由生物介壳和生物遗体组成，具有典型的生物结构，孔隙率高，透水性强，易溶蚀，易风化，强度低。