ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC KHOÁNG VẬT TẠO ĐÁ PHỔ BIẾN
Tên khoáng vật
Silicat
Augit (piroxen)
Biotit (mica)
Hocblen (amfibon)
Muscovit (mica)
Olivin
Octocla (Fenpat)
Topaz
Tan
Tuamalin
Oxit
Thạch anh
Hematit
Gơitit (limonit)
Manhetit
Cacbonat
Canxit
Dolomit
Sunfat
Thạch cao
Sunfua
Pirit
Galen
Halogenua
Halit
Flourit

Công thức hóa học

Màu

Cát khai

Ca(Mg, Fe,Al).(Al,Si 2 O 6 )
K(Mg,Fe) 3 AlSi 3 O 10 (OH) 2
(Na,Ca) 2 (Mg,Fe,Al) 5 Si 6 (Si,Al) 2 O 22 (OH) 2
KAl 3 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2
(Mg,Fe) 2 SiO 4
KAlSi 3 O 8
Al 2 (SiO 4 )(F, (OH) 2 )
Mg 3 (Si 4 O 10 )(OH) 2
(Na,Ca)(Mg,Al) 6 B 3 Al 3 Si 6 (O,OH) 3 O

Xanh thaãm đến đen
Đen
Xanh thẫm đến đen
Không màu đến xanh nhạt
Xanh nhạt đến đen
Trắng xám hoặc hồng
Xanh tim, lục hồng hoặc đỏ
Phớt nâu, lục, phớt vàng
Lục, hồng, đỏ, nâu sẫm, đen

Hoàn toàn
Rất hoàn toàn
Hoàn toàn
Rất hoàn toàn

Không hoàn toàn
Trung bình
Vết vỡ
Hoàn toàn
Không cát khai

SiO 2
Fe 2 O 3
FeO.OH
Fe 3 O 4

Không màu đến trắng,đỏ,vàng
Đen,xám thép
Nâu vàng đến nâu thẫm
Đen sắt

Vết vỡ vỏ sò
Không cát khai
Hoàn toàn
Không cát khai

CaCO 3
CaMg(CO 3 ) 2

Trắng đến không màu
Hồng, trắng hoặc xám

Hoàn toàn
Hoàn toàn

CaSO 4 .2H 2 O

Không màu đến trắng

Rất hoàn toàn

FeS 2
PbS

Vàng thau nhạt
Xám chì

Không hoàn toàn
Hoàn toàn

NaCl
CaF 2

Không màu hoặc trắng
Vàng, tím, lục, xanh

Hoàn toàn
Hoàn toàn

Độ cứng

Tỷ trọng

5–6
2,5 – 3

5–6
2 – 2,5
6,5 – 7
6
8
1
7 – 7,5

3,2 – 3,6
2,8 – 3,2
2,9 – 3,2
2,8 – 2,9
3,3 – 4,4
2,6
3,5 – 3,6
2,7 – 2,8
2,9 – 3,3

7
5,5 – 6
4,5 – 5,5
5,5 – 6

2,5 – 2,8
5 – 5,2
4 – 4,4
4,9 – 5,2

3
3,5 – 4

2,6 – 2,8
1,8 – 2,9

2

2,3

6 – 6,5
2–3

4,9 – 5,2
7,4 – 7,6

2
4

2,1 – 2,2
3,18

1


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM SILICAT

Khoáng vật Augit (Prioxen)

Khoáng vật Hocblen

Khoáng vật Biotit (Mica)

Khoáng vật Muscovit

Khoáng vật Olivin

2


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM SILICAT

Khoáng vật Octocla

Khoáng vật Topaz

Khoáng vật Tan

Khoáng vật Tuamalin

3


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM OXIT

Khoáng vật Thạch anh

Khoáng vật Hematit

4


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM OXIT

Khoáng vật Manhetit

Khoáng vật Gơtit

NHÓM CACBONAT

Khoáng vật Canxit

Khoáng vật Dolomit

5


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM SUNFAT

Khoáng vật Thạch cao

NHÓM SUNFUA

Khoáng vật Pirit

Khoáng vật Galen

6


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

NHÓM HALOGENUA

Khoáng vật Halit

Khoáng vật Flourit

7


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Chương

1

ĐẤT ĐÁ
1.1. TRÁI ĐẤT VÀ KHOÁNG VẬT
1.1.1. Trái đất
1.1.1.1. Trái đất trong hệ mặt trời
Trong vũ trụ có vơ số các thiên thể (sao) ln chuyển động không ngừng.

Trái đất là một trong vô số các thiên thể đó. Tập hợp nhiều sao (đám mây sao)
được gọi là hệ sao. Khoa học hiện đại cho biết có khoảng 10 tỉ hệ sao trong vũ
trụ.
Trái đất là một hành tinh trong Hệ Mặt trời, Hệ Mặt trời lại là một bộ phận
trong hệ thiên hà lớn hơn có tên gọi là Ngân hà. Các thiên thể trong cả hai hệ chủ
yếu chuyển động trong không gian theo chiều thuận thiên văn (tức ngược chiều
kim đồng hồ) do sức hút từ một nhân trung tâm. Trong hệ Ngân Hà có khoảng
150 tỉ sao (bao gồm hằng tinh, tinh vân và các loại bụi sao, tia xạ.
Mặt trời chỉ là một hằng tinh kích thước trung bình nằm gần trung tâm của
hệ Ngân Hà. Khi mặt trời chuyển động, do lực hấp dẫn, nó kéo theo 8 hành tinh
xoay xung quanh nó hình thành hệ Mặt trời (Thái Dương hệ). Tính từ phía mặt
trời ra ngồi, gồm các hành tinh: Sao Thủy - Mercury, Sao Kim – Venus, Trái
đất, Sao Hỏa – Mars, Sao Mộc – Jupiter, Sao Thổ - Saturn, Sao Thiên Vương –
Uranus, Sao Hải Vương – Neptune. Bán kính của Hệ mặt trời khoảng 29.97AU
(Astronomical Unit – Đơn vị thiên văn: là một đơn vị độ dài quy ước được dùng
trong thiên văn học để đo các khoảng cách trong không gian. Độ dài của đơn vị
này là khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời, nghĩa là khoảng gần
149.6 triệu km).
Trái đất là hành tinh thứ 3 trong Hệ mặt trời, cách mặt trời 1AU. Thời gian
trái đất tự quay một vòng quanh trục của nó là 23h56’ và quay hết một vịng
quanh mặt trời là 365.25 ngày. Trái đất có một vệ tinh duy nhất là mặt trăng.

15


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Hình 1.1- Hệ mặt trời

1.1.1.2. Cấu tạo của trái đất

Hình dáng trái đất : có dạng hình cầu, hơi dẹt ở 2 cực (Elipsoid hay
Geoid) vì tốc độ quay quanh trục Bắc – Nam khá lớn. Trục Trái Đất nghiêng một
góc tối đa 23.5o so với mặt phẳng quỹ đạo.
Kích thước:của nó được ước lượng như sau:
- Bán kính qua xích đạo: Rx = 6,378.25Km.
- Bán kính qua cực: Re = 6,356.87Km.
- Bán kính trung bình: R=6,371km
- Diện tích bề mặt quả đất: 510.08 triệu km2. Trong đó, đại dương chiếm
71% (361 triệu km2) và lục địa 29% (149 triệu km2)
Bề mặt trái đất:lồi lõm không bằng phẳng và luôn thay đổi.
- Điểm cao nhất là đỉnh Everest (Chomolungma) thuộc dãy Hymalaya cao
8890m (Bắc Ấn Độ)
- Điểm sâu nhất là hố đại dương Mariana sâu 11.000m (Đông Philippin Thái Bình Dương).
Tuổi:theo tính tốn dựa vào đồng vị phóng xạ, trái đất có tuổi vào khoảng
4.55 tỷ năm.

16


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Cấu trúc bên trong của quả đất: Dựa vào sự nghiên cứu về sóng địa chấn,
các nhà địa chất chia trái đất thành nhiều lớp khác nhau, nhìn chung có 03 lớp: vỏ
trái đất, mantle, và lõi (nhân). (hình 1.2).
Vỏ trái đất (crust)
Vỏ trái đất tính từ phạm vi mặt đất đến bề mặt phản xạ sóng địa chấn
rõ rệt nhất, được gọi là ranh giới địa chấn – mặt Mohorovicic hay mặt
Moho (M). Đặc điểm của mặt Mohorovicic là sóng địa chấn khi qua
chúng đều bị thay đổi đột ngột. Vận tốc truyền sóng dọc (sóng P –
Primary wave) trong vỏ trái đất khoảng 6.5km/s và sóng ngang (sóng S –

Secondary wave) khoảng 3.7km/s
Vỏ Trái Đất chỉ chiếm khoảng 15% về thể tích và khoảng 1% về trọng
lượng của Trái Đất nhưng có vai trị rất quan trọng đối với thiên nhiên và
đời sống con người.
Vỏ trái đất được phân làm 2 loại là vỏ lục địa và vỏ đại dương. Độ dày
lớp vỏ dao động từ 5 km (ở đại dương) đến 70 km (ở lục địa).
Đá lục địa có tỉ trọng nhỏ khoảng 2.7, thành phần hóa học chủ yếu là
Silic và nhơm – gọi là lớp Sial và tồn tại những đá có tuổi già nhất trên trái
đất (3.8 tỉ năm). Đá đại dương cấu tạo bởi những đá trẻ hơn và nặng hơn,
tỉ trọng khoảng 2.8 – 3.4, thành phần hóa học chủ yếu là Si và Mg – gọi là
lớp Sima.
Manti (mantle)
Mantle là phần nằm dưới mặt Moho cho đến độ sâu 2900km – ranh
giới Gutenberge (G). Ở tại mặt Moho, vận tốc truyền sóng P khoảng
8.2km/s và sóng S là 4.4km/s. Trong lớp mantle vận tốc sóng địa chấn
tăng nhẹ theo chiều sâu (khơng tính đến một phân lớp mỏng ở chiều sâu
khoảng 60-200km có vận tốc truyền sóng thấp – ranh giới của thạch quyển
và quyển mềm).
Mantle có thành phần tương tự dung nham núi lửa, được chia thành 2
lớp:
-

Mantle trên: Từ mặt M đến 800km. Tỉ trọng trung bình từ 4. Vật
chất trong lớp này ở trạng thái rắn, dẻo, và nóng chảy từng phần và
vận động theo nguyên tắc đối lưu. Đây là nơi phát sinh các quá
trình địa chất nội động lực.

-

Mantle dưới: Từ 800km – 2900km. Tỉ trọng trung bình từ 5-6. Do

ở đây có nhiệt độ cao (2800–3800oC) và áp suất lớn (400.000–
1.300.000 atm) nên vật chất ở trạng thái nén chặt, và ở thể rắn,

17


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

phần lớn cấu tạo bởi các hợp chất oxit silic, oxit mangan va oxit
sắt. Đây là vùng yên tĩnh của trái đất.

Hình 1.2 – Cấu trúc bên trong của Trái đất

Nhân (core)
Nhân quả đất là phần trong cùng của trái đất từ độ sâu 2900-6371km.
Tại ranh giới Gutenberge-2900km, vận tốc sóng địa chấn hạ đột ngột từ
13.6-8.2km/s và khơng xuất hiện sóng S,ở đây mơi trường vật chất ở trạng
thái lỏng. Tiếp tục đến độ sâu khoảng 5121km, vận tốc sóng P sau khi hạ
thấp một chút lại tăng từ 9.5 – 11.2km/s. Do vậy, người ta chia nhân làm 2
phần gồm: nhân ngoài và nhân trong. Nhìn chung, áp suất trong nhân rất
lớn (> 1.5 triệu atm) và nhiệt độ cũng rất cao (5000oC) nên vật chất hầu
như bị kim loại hóa trở nên rất chặt và bão hịa các điện tử tự do. Thành
phần chính của nhân là Ni, Fe, S và có tỉ trọng từ 6-12.
1.1.1.3. Các quyển và trường vật lý của trái đất
a) Các quyển của trái đất
Thạch quyển (lithosphere)
Thạch quyển gồm vỏ trái đất và phần trên cùng của mantle trên, có bề
dày từ 70-150km. Nhìn chung thạch quyển là lớp vỏ đá giòn, dễ bị phá
hủy, là nơi thường phát sinh các chấn tâm động đất. Ở lục địa thạch quyển
dày hơn ở đại dương. Theo thuyết kiến tạo mảng thì thạch quyển bị phá

hủy thành các mảng, vi mảng và các khối. Chúng có thể di chuyển trên
phần cịn lại của mantle trên (còn gọi là quyển mềm – asthenosphere, là
phần nằm dưới thạch quyển, độ sâu trung bình từ 90-800km). (hình 1.3)

18


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Hình 1.3– Mối liên quan giữa manti trên, Vỏ lục địa và vỏ đại dương;
Mối liên quan giữa thạch quyển và quyển mềm.

Thủy quyển
Bao gồm nước biển, đại dương, sơng, hồ, băng và nước ngầm. Đây
chính là môi trường và chất xúc tác thúc đẩy nhiều quá trình địa chất làm
biến đổi đất đá và địa hình đất đá.
Khí quyển
Tùy theo thành phần khí và tính chất vật lý của chúng, khí quyển được
phân ra 3 tầng: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng điện ly (tầng ion). Phần
lớn các điều kiện thời tiết, khí hậu hàng ngày diễn ra trong tầng đối lưu.
Ranh giới các tầng thay đổi theo mùa trong năm và vĩ độ của từng khu
vực. Sự thay đổi của các tầng khí quyển ảnh hưởng đến các hoạt động địa
chất trên mặt đất.
Sinh quyển
Sinh quyển là một quyển đặc biệt của quả trái đất, mà trong đó có sự
cư trú của sinh vật. Sinh vật có thể thâm nhập vào thạch quyển đến độ sâu
5km, thâm nhập hết chiều sâu thủy quyển (11km) và vào khí quyển 3040km. Sinh quyển đóng vai trị quan trọng trong quá trình tạo thổ nhưỡng
và gây ảnh hưởng lớn đến tính chất xây dựng của đất đá – nơi nó cư ngụ.

19

CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

b) Các trường vật lý của trái đất
Sự vận động và phân bố các thuộc tính vật chất của trái đất đã tạo nên
trường vật lý của trái đất bao gồm: trường trọng lực, trường từ, trường nhiệt.
Trường trọng lực
Trường trọng lực sinh ra do lực hấp dẫn của trái đất; như đã biết hai
vật thể có khối lượng bao giờ cũng có lực hút nhau, lực này tỉ lệ thuận với
trọng lượng của vật thể. Chẳng hạn: lực hấp dẫn giữamặt trời và trái đất,
trái đất và mặt trăng.
Những nơi vỏ quả đất có cấu tạo khác thường sẽ sinh ra trọng lực bất
thường. Trọng lực sẽ giảm ở những nơi phân bố các đá trầm tích trẻ rỗng,
các đá chứa dầu khí. Ở những nơi phân bố các loại quặng, trọng lực sẽ
tăng. Dùng các thiết bị đo trọng lực quả đất ở các vị trí khác nhau để từ đó
suy ra thành phần vật chất bên trong trái đất gọi là phương pháp thăm dò
địa chất bằng trọng lực. Phương pháp này được dùng để tìm kiếm các mỏ
kim loại và các mỏ dầu khí.
Trường từ
Trái đất giống như một nam châm khổng lồ, hai đầu là hai cực nam và
bắc. Vị trí hai cực từ này thay đổi chậm chạp theo thời gian. Các đường
sức của từ trường trái đất làm cho các vật bị từ hóa trên Trái đất sắp xếp
song song với chúng (hình 1.4).
Hai cực địa từ và hai cực địa lý của trái đất không trùng nhau, lệch
khoảng 11o05’- độ từ thiên, và luôn thay đổi theo thời gian.
Qua các kết quả nghiên cứu sự sắp xếp định hướng của các khoáng vật
nhiễm từ trong các lớp đá phun trào, các nhà khoa học phát hiện tính chất
của hai từ cực đã xảy ra nhiều lần đảo ngược, khoảng 76 triệu năm nay đã
có tới 100 lần đảo ngược và sự đảo ngược gần đây nhất là vào khoảng

cách đây 20 – 30 ngàn năm.

Hình 1.4 – Trường từ của trái đất

20


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Trường nhiệt độ
Nguồn nhiệt của trái đất được chia ra làm hai loại chính: ngoại nhiệt và
nội nhiệt.
Ngoại nhiệt: chủ yếu là do ánh nắng mặt trời, nhiệt độ của các mùa.
Ảnh hưởng của nguồn ngoại nhiệt vào khoảng vài chục mét độ sâu.
Nội nhiệt: chủ yếu là các nguồn magma nóng chảy, các phản ứng hóa
học, phản ứng hạt nhân trong lòng của trái đất.
Các đới nhiệt độ: trong vỏ trái đất, tùy theo sự thay đổi của nhiệt độ
người ta chia thành các đới (hình 1.5):
- Đới I: đới có nhiệt độ đất đá thay đổi theo ngày, theo mùa. Ở độ
sâu khoảng vài mét.
- Đới II: đới thường ôn, tại đây nhiệt độ gần bằng nhiệt độ bình quân
năm của vùng trên mặt đất. Chiều sâu của lớp thường ôn không quá
20m.
- Đới III: đới có nhiệt độ tăng dần theo chiều sâu, trung bình cứ
xuống sâu 100m nhiệt độ đất đá sẽ tăng lên 3oC. Người ta ước tính
nhiệt độ tối đa ở nhân trái đất vào khoảng 5000oC.
Nhiệt độ

tmin

0

ttb

tmax

Đới I

Đới III

Độ sâu

Đới thường ôn

Hình 1.5 – Phân bố các đới nhiệt trong vỏ trái đất

Hiện nay, nhu cầu về năng lượng của thế giới ngày càng tăng. Trong
khi, các nguồn năng lượng than, dầu hỏa, khí… khơng phải là vơ hạn. Vì
thế nhiều nước đã và đang nghiên cứu các nguồn năng lượng mới trong đó
có địa nhiệt. Trái đất có bán kính trung bình 6371Km, ở độ sâu 2900 Km
nhiệt độ khoảng 2000oC, tại trung tâm nhiệt độ có thể lên đến 5000oC,
gấp 2-3 lần lò luyện thép, ngay cả ở độ sâu 30-40 Km nhiệt độ đã có thể
làm nham thạch nóng chảy. Tuy nhiên, hiện nay người ta chỉ mới dùng
được nhiệt lượng ở độ sâu 10 Km mà thôi.

21


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

1.1.2. Khoáng vật
1.1.2.1. Khái niệm khoáng vật
Khoáng vật là một hợp chất hóa học của các nguyên tố tự nhiên hay những
nguyên tố tự sinh (Au, Cu), được hình thành do các q trình hóa lý khác nhau
diễn ra trong vỏ trái đất hay trên mặt đất; là thành phần cơ bản tạo nên đất đá của
vỏ trái đất.
1.1.2.2. Dạng tồn tại và đặc tính cơ bản của khoáng vật
a) Các dạng tồn tại của khoáng vật
Trong tự nhiên khoáng vật tồn tại ở 3 thể:
- Thể rắn: trạng thái kết tinh, chiếm đại đa số như thạch anh, feldspar,
halite,…(hình 1.6).
- Thể lỏng: chủ yếu là nước, ngồi ra cịn có thủy ngân, dầu hỏa,…
- Thể khí: CO2, H2S, C4H4,…

Hình 1.6– Sơ đồ sự kết tinh ion Na và Cl để hình thành tinh thể khống vật Halite (NaCl)

b) Các đặc tính cơ bản của khống vật
Người ta dựa vào các đặc tính như: hình dạng, màu sắc, độ trong suốt và
ánh, tính cát khai, độ cứng và tỉ trọng của khoáng vật để phân loại chúng.

22


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Hình dạng tinh thể của khống vật
Trong tự nhiên các khoáng vật tồn tại ở các dạng kết tinh (có tinh thể),
vơ định hình (khơng có tinh thể), keo (kết tủa, khơng có hình dạng tinh
thể).
Tinh thể của khống vật có hình dạng đều đặn được giới hạn bởi các

mặt tự nhiên. Các tinh thể có thể chia thành ba dạng chính sau (Hình 1.7):
dạng phát triển 1 phương, 2 phương, 3 phương.
Màu khoáng vật – màu vết vạch
Màu sắc là đặc tính vật lý quan trọng nhất để xác định khoáng vật.
Màu khoáng vật được quyết định bởi thành phần hóa học và các tạp chất.
Chẳng hạn, khống vật chứa nhiều Fe, Mg thì thường có màu sẫm như
mica đen (biotite), chứa nhiều Al, Si thì màu nhạt như thạch anh,
orthoclase. Nhiều khống vật chỉ có một màu cố định như limonite có màu
nâu. Nhiều khống vật có thể có nhiều màu sắc khác nhau khi lẫn tạp chất
như thạch anh có thể màu tím, đen, nâu… Màu khoáng vật chịu ảnh
hưởng bởi điều kiện ánh sáng, trạng thái bề mặt khoáng vật.
Màu vết vạch là màu bột khoáng vật, xuất hiện khi vạch khoáng vật lên
mảnh nhám sứ trắng. Nó ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng nên
thường là dấu hiệu đáng tin cậy để nhận biết khống vật, đặc biệt khống
vật có ánh kim.
Thơng thường màu khống vật và màu viết vạch khác nhau, như
hematite có màu vàng xám nhưng vết vạch có màu đỏ, pyrite màu vàng
thau nhưng vết vạch lại màu đen. Có loại khống vật có màu khống vật
và màu vết vạch giống nhau như magnetite cùng có màu đen. Có một số
khống vật trong suốt hoặc bán trong suốt nhưng bột của chúng lại có màu
như thạch anh.
Độ cứng của khoáng vật
Độ cứng là khả năng chống lại tác dụng cơ học như khắc rạch hay mài
mòn lên bề mặt khoáng vật. Độ cứng phụ thuộc vào kiến trúc và sự liên
kết của các phần tử trong khoáng vật.
Đầu nhọn của đá chứa khống vật có độ cứng cao có thể rạch được
những đá chứa khống vật có độ cứng thấp hơn. Như vậy, có thể so sánh
độ cứng của khoáng vật trong đá bằng cách rạch chúng vào nhau.
Để đánh giá độ cứng tương đối của khoáng vật, người ta dùng thang độ
cứng Mohs (Áo) đề nghị năm 1812 như sau:

23


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Hình 1.7 – Các dạng tinh thể của khoáng vật
Bảng 1.1 -Thang độ cứng Mohs

Khoáng vật

STT

Đồ vật thơng thường

1

Talc (hoạt khống)

2

Gypsum (thạch cao)

Móng tay (2.5)

3

Calcite

Đồng xu (3-3.5)

4

Fluorite

5

Apatite (lân khống)-Phosphate

Kính, thủy tinh (5 - 5.5)

6

Orthoclase

Giũa (6), lưỡi dao (6-6.5)

7

Quart (thạch anh)

8

Topaz

9

Corundum (sapphire, ruby)

10

Diamond (kim cương)

Đĩa sứ không tráng men (7)

24


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Hầu hết các khống vật có độ cứng từ 2 đến 7 và khoáng vật tạo đá
thường độ cứng nhỏ hơn 7.
Lưu ý: Thang độ cứng Mohs khơng tăng theo dạng tuyến tính. Ví dụ:
độ cứng tuyệt đối của talc là 24 N/mm2, của kim cương 100620N/mm2thì
Kim cương cứng hơn talc gấp khoảng 4000 lần (chứ không phải 10 lần).
Calcite 1090N/mm2, thạch anh 11200 N/mm2.

Hình 1.8 – Biểu đồ so sánh độ cứng tương đối theo thang Mohs với độ cứng tuyệt đối
của khoáng vật

Tỷ trọng
Tỷ trọng là tỷ số giữa trọng lượng khoáng vật và trọng lượng thể tích
nước tương đương. Khống vật tạo đá có tỷ trọng từ 2.5 đến 3.5.
Dựa theo tỷ trọng, khoáng vật chia ra làm 3 nhóm sau:
- Nhẹ

:

< 2.5

- Trung bình

:

2.54

- Nặng

:

>4

Tỷ trọng phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể.
Khống vật có các ngun tố nặng và sắp xếp chặt sẽ có tỉ trọng lớn.
Tính cát khai và vết vỡ
Tính cát khai là tính dễ bị tách ra theo các mặt tự nhiên của khoáng
vật. Tính cát khai chỉ có ở vật chất kết tinh mà thơi. Đá chứa khống vật
có tính cát khai thì giòn và cường độ kém.

25


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Dựa vào tính cát khai, người ta chia khoáng vật ra các mức độ như sau:
cát khai rất hoàn toàn, cát khai hoàn toàn, cát khai trung bình, cát khai
khơng hồn tồn.
Vết vỡ là những mặt tinh thể khống vật bị tách ra khơng theo một
phương và quy tắc nào.
Độ trong suốt của khoáng vật

Độ trong suốt của khoáng vật là khả năng cho ánh sáng xuyên qua
khoáng vật. Độ trong suốt 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 khống vật, người ta chia khống vật
ra các nhóm: trong suốt, nửa trong suốt và khơng trong suốt.
Ánh của khống vật
Ánh của khoáng vật là độ phản chiếu tia sáng trên các mặt khoáng vật
(một phần hấp thụ, một phần phản xạ). Ánh khống vật khơng phụ thuộc
vào màu mà phụ thuộc vào chiết suất và đặc trưng bề mặt của nó.
Dựa vào ánh của khống vật, người ta chia khống vật thành các nhóm
sau: ánh thủy tinh, ánh tơ, ánh mờ, ánh xà cừ, ánh kim loại.
Các tính chất khác
Ngồi những tính chất trên, khống vật cịn có một số tính chất vật lý
khác như: từ tính, tính phóng xạ, tính đàn hồi, mùi, vị, hoặc được có thể
được cảm nhận bằng xúc giác,….
Do đó, khi xác định khống vật phải tổng hợp các tính chất vật lý của
khống vật, tránh phân tích rời rạc, từ đó rút ra các đặc trưng chủ yếu của
từng loại khoáng vật.
1.1.2.3. Một số khống vật tạo đá chính
Các khống vật đều phân bố khơng đồng đều trong vỏ trái đất. Một số
ít khống đóng vai trị chính trong thành phần của đất đá gọi là khoáng vật
tạo đá. Hiện nay, người ta biết khoảng gần 3000 khống vật nhưng trong
đó chỉ khoảng 50 khoáng vật tham gia chủ yếu vào thành phần đất đá, gọi
là khoáng vật tạo đá.
Các khoáng vật tạo đá này thường thuộc lớp chính Silicat, Oxit,
Carbonat, Sulfate, Sulfur và Halogenua.
a) Lớp Silicat
Các khoáng vật silicat chứa đều chứa các đơn vị cấu trúc cơ sở là khối
+4
tứ diện silic SiO−4

ở trung tâm, bao quanh bởi 4 anion
4 , gồm 1 cation Si

26


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

oxi O−2 . Đất đá chứa các khoáng vật thuộc lớp này chiếm đến khoảng
75% trọng lượng của vỏ trái đất, là khống vật tạo đá chính của các đá
magma, biến chất và cả trầm tích. Chúng thường có độ cứng cao và nhiều
màu sắc.
Các nhóm thường gặp trong lớp Silicat: nhóm feldspar, nhóm mica,
nhóm amfibon, nhóm pyroxene, nhóm olivine, nhóm talc, nhóm clorit và
nhóm sét…

Hình 1.9 -Tứ diện Si - O với 4 ion O2-( kích thước lớn) bao quanh một Si 4+

Hình 1.10 – Các cấu trúc khối silicat
a) Tứ diện: b) Bát diện; c) Lập phương; d) Bát diện lập phương

Ở các khu vực khí hậu khơ, feldspar bị phong hóa tạo thành cát, cịn
đối với các khu vực khí hậu nóng ẩm như Việt nam, feldspar bị phân hủy
thành sét.
Các khoáng vật sét khi tương tác với nước đều trương nở, tuy nhiên
khả năng giảm dần từ monmorilonit đến illit rồi caolinit.

27

CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Các khoáng vật silicat được sử dụng vào rất nhiều mục đích trong cuộc
sống chúng ta. Phần lớn các đá quý bao gồm ngọc xanh, ngọc vàng, ngọc
bích, ngọc lam đều là khống vật silicat như Topaz, Tourmaline. Ngồi ra,
các khống vật trong nhóm Silicat cịn được sử dụng trong sản xuất gạch,
ngói như các khống vật sét; làm cao su, giấy, mỹ phẩm như khoáng vật
Talc …
b) Lớp Oxit
Hình thành bởi sự kết hợp của các cation khác nhau với anion Oxy O2.
Nhóm này có khoảng 200 khoáng vật, chiếm khoảng 17% trọng lượng vỏ
trái đất.
Phổ biến thường là thạch anh (SiO2), hematite (Fe2O3), goethite
(FeO.OH) còn gọi là limonit, magnetite (Fe3O4).
Các khoáng vật Oxit được sử dụng nhiều trong luyện sắt, luyện gang
thép như Goethite, Magnetite, làm quặng sắt như Hematite … Đặc biệt
Thạch anh, Opal (đá mắt mèo), Corundon cịn có thể dùng làm đồ trang
sức rất đẹp.
c) Lớp Cacbonat
Đều chứa đơn vị cấu trúc cơ sở là anion cacbonat CO−2
3 , bao gồm
khoảng 80 khoáng vật, chiếm khoảng 1,7% trong lượng vỏ trái đất, thường
tạo thành lớp trầm tích biển rất dày do nguồn gốc chủ yếu là ngoại động
lực có liên quan đến các dung dịch nước.
Khoáng vật phổ biến thường là Calcite(CaCO3), Dolomit
(CaCO3.MgCO3) thường được dùng để sản xuất vôi và ximăng Portland,
làm các vật liệu chịu lửa…
d) Lớp Sulfate
Đều chứa đơn vị cấu trúc cơ sở là anion sunfat SO−2
4 , có khoảng 260

khống vật, chiếm khơng q 0,1% trọng lượng vỏ trái đất. Nhóm này
thường có tỷ trọng và độ cứng khơng lớn, màu sáng, dễ hịa tan trong
nước.
Các khống vật phổ biến trong lớp này là thạch cao, anhydrite (thạch
cao khan). Khi gặp nước anhydrite hút nước và biến thành thạch cao với
thể tích có thể tăng lên 33%. Thạch cao có thể dùng là đá tấm, cơng nghệ
giấy, công nghệ ximăng, làm màu, làm men…
e) Lớp Sulfur
Chứa các anion lưu huỳnh (S) làm cấu trúc cơ sở, gồm khoảng 200
khoáng vật, tiêu biểu là khoáng vật pyrit (FeS2) dùng tạo H2SO4, phân bón
và khống vật galena (PbS) là quặng quan trọng của chì.

28


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Lớp sulfur thường là các quặng kim loại quan trọng như sắt, đồng, kẽm
và chì. Pyrit là một khoáng vật phổ biến mà thường bị nhầm lẫn với vàng
vì ánh kim của nó, thường gọi là vàng giả.
Lớp này dễ bị phong hóa, vì vậy đá xây dựng chứa pyrit và galena
thường có chất lượng kém.
f)

Lớp Halogenua
Chứa các anion Clo, Flo, Brom, Iot, có khoảng 100 khống vật, phổ
biến nhất là khoáng vật halite (NaCl - muối mỏ), kế đến là Flourite (CaF2),
nhóm này dễ hịa tan trong nước.
Muối mỏ (Halite-NaCl): tinh thể khối lập phương, không màu hoặc
trắng, trắng xám, độ cứng 2.5, ánh thủy tinh, dễ tách theo 3 phương, rất dễ

bị hịa tan.(hình 1.11).

Hình 1.11– Cấu trúc tinh thể khoáng vật Halite (NaCl)

1.1.2.4. Ý nghĩa của việc nghiên cứu khoáng vật
Khoáng vật là những thành phần cấu tạo nên đất đá. Do đó, tính chất của
khống vật sẽ ảnh hưởng đến tính chất của đất đá; hay nói cách khác tính chất
của đất đá sẽ được quyết định bởi tính chất của khống vật có mặt trong đất đá
đó.
Vì vậy, nghiên cứu thành phần khống vật của đất đá có thể lý giải được các
đặc điểm chính về các tính chất vật lý, cơ học, hóa học của đất đá, khả năng sử
dụng của chúng trong xây dựng cơng trình. Ngồi ra có thể giải thích được thành
phần hóa học của nước dưới đất.
1.2. ĐẤT ĐÁ CỦA VỎ TRÁI ĐẤT
1.2.1. Khái niệm đất đá
Đất đá là tập hợp một hay nhiều loại các khoáng vật được hình thành trong
tự nhiên, được sắp xếp theo những quy luật nhất định (có cấu trúc, thành phần
khóang vật xác định) và tham gia cấu thành nên vỏ trái đất.

29


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

Nếu đất đá cấu tạo từ một khống vật thì chúng được gọi là đất đá đơn
khống và tên gọi của chúng là tên khoáng vật tạo đá (đá thạch cao, đá
dolomite…). Phổ biến hơn là đất đá đa khoáng, cấu tạo từ nhiều khoáng vật (đá
granite gồm các khống vật feldspar, thạch anh, mica …).

Hình 1.12– Minh họa thành phần khoáng vật của đá granite

1.2.2. Các đặc trưng cơ bản của đất đá
Đất đá được đặc trưng bởicác yếu tố cơ bản như : thành phần khoáng vật,
kiến trúc, cấu tạo, thế nằm, nguồn gốc và điều kiện thành tạo.
1.2.2.1. Thành phần khoáng vật
Thành phần của đất đá là thành phần vật chất cấu tạo nên đất đá, gồm sự có
mặt của các loại khống vật trong đất đá và hàm lượng của chúng. Ngoài ra, cịn
có một lượng vật chất hữu cơ và sinh vật. Trạng thái, tính chất của đất đá phụ
thuộc rất lớn vào thành phần vật chất này.
Ví dụ: thành phần khống vật của đá granite bao gồm những khống vât
chính sau: Orthoclase feldspar, Plagioclase feldspar, Biotite, thạch anh.
1.2.2.2. Kiến trúc
Kiến trúc của đất đá là tổng hợp các yếu tố như hình dạng, kích thước, độ
đồng đều về kích thước, mức độ kết tinh của các hạt khoáng vật. Mỗi loại đất đá
có một kiến trúc nhất định. Ví dụ: kiến trúc hạt rời, tồn tinh, biến tinh, vi tinh,
thủy tinh,…(Hình 1.13).
Đối với đá magma, đá biến chất và đá trầm tích hóa học thì kích thước và
hình dạng hạt khống vật chủ yếu do điều kiện kết tinh quyết định. Đối với đá
trầm tích vụn thì hình dáng và kích thước hạt là do thành phần của đá gốc và
phương thức vận chuyển trầm tích quyết định.
Hình thức gắn kết giữa các hạt cũng rất quan trọng. Tùy theo mức độ liên
kết mà chia ra kiến trúc hạt rời và kiến trúc gắn kết. Liên kết kiến trúc được hình
30


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

thành nhờ các q trình lý hóa phức tạp như: kết tinh, hóa già, ngưng keo, kết
tủa, hấp thụ, thấm, áp lực,… diễn ra suốt thời kỳ tạo đá.
Qua đặc điểm kiến trúc, có thể biết được các đặc điểm của quá trình hình

thành đất đá. Chẳng hạn: đá gốc bị phân hủy do phong hóa hóa học sẽ cho các
hạt mịn, đá được trầm đọng do sơng mang tới thì sẽ trịn cạnh, do gió thì hạt đồng
đều nhưng góc cạnh hơn đá do trầm tích biển có hạt dạng trịn, dẹt.

Hình 1.13– Một số kiểu kiến trúc đá mama
a) Toàn tinh; b) Porphyr; c) Vi tinh; d) Thủy tinh

1.2.2.3. Cấu tạo
Cấu tạo của đất đá là quy luật phân bố của các hạt khoáng vật theo các
hướng khác nhau trong không gian của đất đá và mức độ sắp xếp chặt sít của nó.
Ví dụ: Đá magma phun trào có cấu tạo bọt, đá ong có cấu tạo lỗ rỗng, đá trầm
tích có cấu tạo dải, …

Hình 1.14– Một số kiểu cấu tạo dặc trưng của đất đá
a) Cấu tạo đặc sít ; b) Cấu tạo dải ; c) Cấu tạo phiến ; d) Cấu tạo rởng

Có sự sắp xếp khơng đồng nhất của các hạt khoáng vật này là do tác dụng
của các trường thành tạo đất đá như : trường trọng lực, trường áp lực, trường
nhiệt, trường thủy lực,… Ví dụ: sự thành tạo cấu tạo lớp của đá trầm tích là do
tác động trường trọng lực kết hợp trường thủy lực.
Qua cấu tạo có thể xác định được quy luật chung về sự thay đổi các đặc
điểm cơ-lý của đất đá theo các hướng khác nhau.

31


CHƯƠNG 1: ĐẤT ĐÁ

1.2.2.4. Thế nằm
Thế nằm là hình dạng, kích thước, vị trí tương đối của khối đá và mối quan

hệ giữa khối đá đang xét với đá vây quanh. Tùy thuộc vào điều kiện thành tạo và
biến đổi, đất đá có những thế nằm khác nhau. Thế nằm có các dạng: dạng khối,
phân lớp, thấu kính …(hình 1.15)
Nếu như kiến trúc và cấu tạo của đất đá là những yếu tố bên trong quyết
định tính chất cơ lý, tính chất nước của bản thể đất đá thì thế nằm của chúng là
yếu tố bên ngoài cho ta về mức độ đồng nhất và biến đổi các tính chất này. Do
đó, đánh giá thế nằm của đất đá có thể cho biết mức độ đồng nhất các đặc điểm
của cả nền cơng trình (đặc điểm thấm, cường độ, sự ổn định). Chẳng hạn: tư thế
nằm nghiêng của tầng đá trầm tích do vận động kiến tạo gây ra biến vị nằm
nghiêng hay uốn nếp dễ gây ra mất ổn định trượt, lún không đều của khối đất đá.

Hình 1.15– Các kiểu thế nằm đặt trưng của đất đá
a) Kiểu khối ; b) Kiểu phân lớp ; c) Kiểu thấu kính

1.2.2.5. Nguồn gốc và điều kiện thành tạo
Nguồn gốc và điều kiện thành tạo bao gồm nguyên nhân và các nhân tố vật
chất thành tạo nên đất đá. Đặc trưng này là quan trọng nhất. Ví dụ : đá magma có
nguồn gốc từ nguội lạnh dịng magma nóng chảy từ thể manti chảy ra ngồi; đá
trầm tích là tập hợp các vật liệu rời từ nhiều nguồn gốc.
1.2.3. Các loại đất đá hình thành vỏ trái đất
Trong địa chất nói chung và trong địa chất cơng trình nói riêng, có rất nhiều
cách phân loại đất đá với những mục đích khác nhau. Trong tự nhiên có gần 1000
loại đất đá khác nhau, nếu phân loạitheo nguồn gốc và điều kiện thành tạo, chúng
được chia ra 3 loại sau: magma, trầm tích và biến chất. (Hình 1.16)

32