02地球上的岩石.ppt

第二章 地球上的岩石,人类生活在地球上，岩石始终具有重要的意义 在古代，人类的进化在现代，岩石仍是农田、水利、建筑、交通、化工、矿业等经济部门施工对象和开采利用的重要资源本章的主要内容：什么是岩石?地球上最主要的岩石是什么? 岩石有哪些特殊的性质?油气资源中岩石的特点，等2.1 岩石、矿物及尺度,地球及其以外的物质可以分为固体圈、水圈和大气圈三个圈层结构在地球的总质量中，大气圈的质量不到1%，水圈仅占千分之一左右，固体圈的质量占99％以上地球固体圈,地球的固体圈是由地核、地幔和地壳组成的，其中岩石和矿物是构成固体圈的最主要的物质1.矿物,矿物是天然产出的，通常由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体现代的矿物概念，需有三个条件： 1) 矿物必须是天然产出的物体，从而和人工制备的产物相区别 2) 矿物必须是均匀的固体具有确定的或在一定范围内变化的化学成分和分子结构 3) 矿物一般是由无机作用形成的像煤和石油都是有机作用的产物，且无一定的化学成分，故均非矿物组成矿物的元素 其原子多是按一定的方式在三维空间内周期性重复排列而形成的具有特定结构的晶体。

在外界条件合适时，晶体可以得到正常的发育，生长为规则的几何多面体；但很多情况下，没有足够良好的条件形成这样规则的外貌，矿物的均匀性， 则表现在不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质，这正是矿物与岩石的根本差别矿物千姿百态，但多表现为颗粒状(grain)，其大小悬殊，小的要借助于显微镜辨认，大的颗粒直径可达几厘米，仅凭肉眼即可看见由此可见，矿物在地质上是建造地球的非常小的材料单元地球上已知的矿物有3300多种岩石中常见的矿物只有20几种，其中又以长石、石英、辉石、闪石、云母、橄榄石、方解石、磁铁矿和黏土矿物为多2.岩石,岩石是由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的矿物的天然集合体 岩石是在地球发展到一定阶段时，经各种地质作用形成的坚硬产物，它是构成地壳和地幔的主要物质 作为天然物体，岩石具有自己特定的比重、孔隙度、抗压强度等许多物理性质正如矿物由原子组成，但矿物可显示出个别原子不具备的性质一样.岩石虽由矿物组成，但岩石所表现出来的特性，却常常是不能用单独的一种或几种矿物的特性加以替代或描述的3.岩石的尺度,岩石是矿物的集合体，其性质与组成矿物的性质、所占的比例、矿物的几何分布、胶结情况以及矿物颗粒之间的孔隙度及孔隙流体有关。

描述岩石的矿物颗粒的几何表现、分布状况、胶结情况等关系，涉及到岩石的微构造(microstructure) 矿物颗粒的排列，矿物成分的变化，矿物颗粒的形状和大小，孔隙的数目以及破裂程度等造成了岩石微构造的不均匀和无序性由此可以得到一个直接的推论：岩石的物理性质是与进行测量的尺度(scale)有关研究岩石的几种尺度(scale)问题,第一种是矿物颗粒(grain)的尺度，亦称矿物尺度(micro-scale)：研究各个矿物的性质，矿物与矿特之间相互的接触几何等第二种是研究由多个矿特组成的岩石尺度，常称为岩石尺度(macro—scale)：在这种尺度下，矿物的性质被平均掉了，取而代之的是岩石的性质；第三种尺度更大，包括了完整的岩石，也包括了多种岩石的组合，如岩石中的节理、等间断面，这种称为岩体(mega—scale)的尺度，岩休性质取决于岩石的组成和各种间断面的控制；最后一种尺度是地质尺度(giga—scale)，它是各级尺度性质的高度且复杂的综合地质现象是由矿物、岩石、岩体和构造运动的总体所决定的地球物理勘探中研究的尺度,,岩石的下限尺度,当研究尺度远远大于特征尺度时，岩石可以近似地看成是均匀的，岩石具有了下限尺度 矿物颗粒的大小提供了一种特征尺度：这种均匀是体积平均意义上的物理性质均匀。

整体、统计上的稳定性在研究能源、资源、环境等地球基本过程问题时，所遇到的尺度都符合这个最低下限的要求注意：研究的对象是岩石，而不是矿物和组成矿物的元素岩石测量的上限尺度,在地球运动中，整块的岩石不可避免地会发生破裂，其中会出现许多断层、解理和劈理等间断面，这些大小不一的间断面和岩石就构成了岩体(rock mass) 岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理、节理和断层等切割下形成的，明显的不连续性是岩体的重要特点岩体性质(无论是力学、电学还是其他性质)在很大程度上都要受到间断面的影响，例如岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石变形，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性等岩体中间断面的存在，提供了岩石测量的上限尺度黑色为固体（72%），白色和斜线阴影部分为孔隙（28%），斜线阴影部分为孔隙饱和度（10%）,3、多孔隙介质的极小均匀体积尺度,极小均匀化体积概念,均匀与非均介质,均匀介质：在特定的尺度范围，岩石参数和性质有与尺度无关的相似特征均匀与非均匀的确定： 物理上认为，在某种程度上没有任何固体是均质的一般用统计的方式确定，并没有明确的尺度非均质：岩石参数和性质与尺度有关各向异性与非均质,各向异性和非均质性是密切相关的。

各向异性和非均质性的确定：随方向性质是否变化来区分一个固体是各向异性还是非均匀的有一个尺度对于机械波与所用的波长相关：对于地震波，尺寸或许是几十米；对于测井是分米；而对于实验室测量为毫米在不同尺度上，即使在同一个固体内，各向异性程度和类型有可能完全不同实际非均质与有效均质体,2.2 岩石的分类,目前最通用的岩石分类方法是按照岩石的形成过程分类，即按照不同的成岩过程对岩石进行地质学上的分类也可以按照岩石包含的矿物种类，各种矿物的比例，矿物的空间分布等，对不同的岩石进行分类1. 成岩过程,地球(特别是地壳和上地幔)中的过程主要有以下三种： 火成过程（igneous process）： 地壳深部融化的物质、熔融的岩浆在地下或喷出地表，发生结晶和固化的过程 沉积过程（sedimentary process）： 地表岩石风化的产物，经过风、流水的搬运，在某些低洼地方沉积下来的过程有些易溶解的岩石、矿物经过流水溶解、搬运和沉积，也属于沉积过程的一种变质过程(metamorphic process)：在地球内部高温或高压环境下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化，使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。

这些变化可以在低于硅的熔化温度时发生，所以，先已存在的岩石可以始终保持固态这种过程不同于前面叙述过的火成过程或沉积过程，一般称之为变质过程岩石圈主要有三大类岩石：火成岩、沉积岩、变质岩2. 火成岩,火成岩一般指岩浆在地下或喷出地表冷凝后形成的岩石，又称岩浆岩，是组成地壳的主要岩石 构成火成岩的主要元素有氧、硅、铝、钙、钠、钾、镁和钛，后几种元素氧化物的含量即占火成岩总重量的99％左右，特别是=氧化硅的含量晟高，在不同的火成岩中均占总重量的35％～78％ 在各种不相同的地质环境下岩浆都可以冷凝成岩如果岩浆在地下活动，冷凝固化后可以形成侵入岩(intrusive rocks)；,3. 沉积岩,地壳表层分布最广泛的是沉积岩沉积岩覆盖了大陆面积的75％(平均厚度为2 km)和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为1 km)面积沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石也就是说，它是早先形成的岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地球表面(大陆和海洋)的低凹部位沉积，经过压实、胶结再次硬化，形成的具有层状构造特征的岩石它是在地壳表层的条件下，由母岩的风化产物，火山物质、有机物质等沉积岩的原始物质成分，经搬运作用、沉积作用以及沉积后作用而形成的一类岩石。

地壳表层的条件,地壳表层是指大气圈的下层、水圈和生物圈的全部以及岩石圈上层沉积岩就在这个层圈内地壳表层条件：温度：地壳表层温度，最高85c，最低-75，温差150-160压力：海平面的压力为0.1MPa（1atm）绝大部分的沉积岩形成的压力在0.1－2MPa的范围内水和在气作用生物和生物化学作用事件沉积作用,矿物分布特征,沉积岩中的各种矿物成分不是处在一种平衡的集合状态中在地表附近的低温环境下，矿物之间的相互作用和矿物成分在岩石内部的转换也许还不显著；但当沉积岩随地球的各种运动中进入地球内部的高温、高压环境时，这种相互作用和成分转变会显著地改变岩石的组成和微结构流体在沉积岩中的流动、化学反应和孔隙几何度的变化，以及它们之间的耦合等，都是控制沉积岩演化的最主要的因素沉积岩的孔隙度,未固结很好的沉积岩的孔隙度可达80％沉积岩的孔隙度平均在5％～30％范围之内岩石孔隙中可以流动的液体既是化学反应的组分，也是岩石中物质传运的通道沉积岩的多孔性和高渗透率使烃类物质在其中的聚集成为可能了解沉积岩的演化及其物理性质，对本课程也具有重要意义4 变质岩,变质岩是由变质作用形成的地球内部高温或高压条件下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。

变质条件：温度低于硅的熔化温度，岩石始终保持固态一般称之为变质过程相应的这一作用叫做变质作用火成岩和沉积岩都会发生变质作用例如石灰岩通过热力变质作用，发生了矿物的重结晶，使矿物颗粒粒度不断加大，形成了大理岩变质岩的成分和结构比火成岩和沉积岩要复杂因为这不仅取决于变质作用的种类，也与原来岩石的成分和结构有关所以变质岩的化学成分和结构变化范围都比较大例如，由石灰岩变质形成的大理岩中，几乎不含有SiO2；而由石英砂岩等变质形成的石英岩中的SiO2 高达90％大陆和海底都有变质岩的存在，它在地壳内分布很广，约占大陆面积的18％岩石分类的作用,岩石分类可以本身的性质与物理性质有一个大体的划分岩石的物理性质主要由三个方面的因素决定： 1)岩石的组成，包括组成岩石的矿物成分，岩石内部的孔隙度，岩石的饱和状态和孔隙流体的性质等； 2)岩石内部的结构，包括矿物颗粒的大小、形状及胶结情况，岩石内部的裂隙和其他不连续界面等； 3)岩石所处的热力学环境，包括温度、压力和地应力场等尽管不同的岩石具有不同的矿物组成、结构、孔隙度等，所处的热力学环境也大不相同，但在受到应力(天然的力或足人为的力)作用时，同一类别内岩石的反应差别较小，并且有许多相似处。

地壳中最常见的三类9种岩石的一些物理性质,沉积岩的孔隙度比其它类岩石大；而对于抗压强度，火成岩则明显高于沉积岩因此，上面介绍的岩石分类方法对于描述多种岩石的共同特性，是十分有意义的5. 成岩旋回(rock cycle),由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程有着密切的联系，可以互相转变对于一个运动的地球，上述过程是在不停地进行着的，这就构成了成岩旋回成岩旋回过程,2.3 岩石的特点,岩石，作为一种特殊材料，和材料科学中研究的一般材料有很大的不同这些不同表现在以下方面： 1.高压高温环境 2.多孔介质 3.长期作用,1.岩石的高温高压环境,地壳是地球最外面的一个壳层，平均厚度在大陆上为35 km，海洋里为几公里地壳底部的压力约为1 GPa，温度约为600℃，地球半径为6371 km从这些数据不难算出地球内部地壳以下99%的物质都处于l GPa(1万个大气压)和600℃以上的高压高温状态在这种高压高温环境下，岩石表现出了许多特殊的性质地 温,地热场：地球存在地温梯度 地温梯度，指地温随着深度的变化特征，一般3℃/100米岩石处于温度场的作用之中研究温度场主要用于确定油气烃类物质的产生及运移，地热能的开发等工程问题。

对应的测井方法是地温测井温度对岩石特性的影响主要表现为两个方面： （1）温度对岩石力学性质的影响 （2）由于温度的变化将引起热应力的变化。