岩 石

目录

基本定义 岩石的性质 岩石的历史 岩石的应用 岩石的产地 岩石的种类

基本定义

岩石是天然产出的具稳定外型的矿物或玻璃集合体[1]，按照一定的方式结合而成。是构成地壳和上地幔的物质基础。按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。其中岩浆岩是由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成的岩石，也称火成岩或喷出岩；沉积岩是在地表条件下由风化作用、生物作用和火山作用的产物经水、空气和冰川等外力的搬运、沉积和成岩固结而形成的岩石；变质岩是由先成的岩浆岩、沉积岩或变质岩，由于其所处地质环境的改变经变质作用而形成的岩石。

地壳深处和上地幔的上部主要由火成岩和变质岩组成。从地表向下16公里范围内火成岩和变质岩的体积占95%。地壳表面以沉积岩为主，它们约占面积的75%，洋底几乎全部为沉积物所覆盖。 岩石学主要研究岩石的物质成分、结构、构造、分类命名、形成条件、分布规律、成因、成矿关系以及岩石的演化过程等。它属地质科学中的重要的基础学科。

岩石的性质

岩石工程性质无怪乎就是物质成分（颗粒本身的性质）、结构（颗粒之间的联结）、构造（成生环境及改造、建造）、现今赋存环境（应力、温度、水）这几个方面的因素。如果是岩体，则取决于结构面和岩块两个方面，在大多数情况下，结构面起着控制性作用。

岩石的历史

地球形成之初，地核的引力把宇宙中的尘埃吸过来，凝聚的尘埃就变成了山石，经过风化，变成了岩石。接着就变成陨石，在没有落入地球大气层时，是游离于外太空的石质的，铁质的或是石铁混合的物质，若是落入大气层，在没有被大气烧毁而落到地面就成了我们平时见到的陨石，简单的说，所谓陨石，就是微缩版的小行星“撞击了地球”而留下的残骸。几亿年过去了，世界上就有了无数岩石。现在人类 在岩土工程界，常按工程性质将岩石分为极坚硬的、坚硬的、中等坚硬的和软弱的四种类型。正在向定量方向发展。

古老岩石都出现在内部的结晶基底之中。代表性的岩石属基性和超基性的火成岩。这些岩石由于受到强烈的变质作用已转变为富含绿泥石和角闪石的变质岩，通

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常我们称为绿岩。如1973年在西格陵兰发现了同位素年龄约38亿年的花岗片麻岩。1979年，巴屯等测定南非波波林带中部的片麻岩年龄约39亿年左右。

加拿大北部的变质岩—阿卡斯卡片麻岩是保存完好的古老地球表面的一部分。放射性年代测定表明阿卡斯卡片麻岩有将近40亿年的年龄，从而说明某些物质在地球形成之后几亿年就已经存在了。

最近，科学家在澳大利亚西南部发现了一批最古老的岩石，根据其中所含的锆石矿物晶体的同位素分析结果，表明它们的“年龄”约为43亿至44亿岁，是迄今发现的地球上最古老的岩石样本，根据这一发现可以推论，这些岩石形成时，地球上已经有了和海洋。在地球诞生2亿至3亿年后，可能并不象人们所认为的那样由炽热的岩浆所覆盖，而是已经冷却到了足以形成固体地表和海洋的温度。地球的圈层分异在距今44亿年前可能就已经完成了。

目前在中国发现的最古老岩石是冀东地区的花岗片麻岩，其中包体的岩石年龄约为35亿年。

澳大利亚西部Warrawoona群中的微化石在形态结构上比较完整。它们究竟是蓝藻还是细菌目前尚难确定。通常认为，早期叠层石是蓝藻建造的，叠层石是蓝藻存在的指示。如果35亿年前就已经出现蓝藻，则说明释氧的光合作用早就开始了，这便引出一个问题：为什么直到20亿年前大气圈才积累自由氧呢？从35亿年前到20亿年前中间相隔15亿年之久，为什么氧的积累如此缓慢？对此当然有不同的解释。例如近年来已经发现叠层石也可能完全由光合细菌建造，或甚至由非光合细菌建造。 最古老生命存在的间接证据中较重要的是格陵兰西部条带状铁建造(BIF)和轻碳同位素。如果证据成立，则由此可推断在38亿年前的地球上已经出现进行释氧光合作用的微生物，即类似蓝藻的生物。根据Cloud的解释，BIF是由光和微生物周期性地释氧而引起亚铁氧化为高价铁沉积下来的。轻碳同位素也是光合作用的间接证据。但反对的意见认为，BIF形成所需的氧可以通过大气中的水分子的光分解来提供，而轻碳同位素可能来自碳酸盐的热分解。

十八世纪末岩石学从矿物学中脱胎出来而发展成一门的学科。在岩石学发展的初期，主要研究的是火成岩，到了十九世纪中叶才开始系统地研究变质岩，而沉积岩直到二十世纪初才引起人们的注意。目前岩石学正沿着岩浆岩石学、沉积岩石学和变质岩石学三个主要的分支方向发展。

岩石的应用

一、做建材的岩石

1. 大理岩：大理岩的岩面质感细致，常用来作为壁面或地板。由于大理岩是由石灰岩变质而成，主要成分为碳酸钙，因此也是制造水泥的原料。大理岩材质软而细致，是很好的雕塑石材，许多有名的雕像都是由大理岩作成的，如著名的维纳斯像。其他如墙面或摆饰，也常是由大理石加工琢磨而成，如花瓶、烟灰缸、桌子等家用品。

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2. 花岗岩：本土的花岗岩只有在金门才看得到，因此金门的老房子几乎都是用花岗岩做成的。的寺庙所用的花岗岩，是来自福建，多用于寺庙里的龙柱、地砖、石狮。

3. 板岩：因其容易裂成薄板状，且在山区极易取得，故原住民至今仍使用板岩作为建材，筑成石板屋或围墙。

4. 砾岩：有些砾岩含有鹅卵石及砂，而且胶结不良，容易将它们分散开来，例如：西部第四纪的头嵙山层中就是这种砾岩，其中卵石和砂都是建材。 5. 石灰岩：最常见的石灰岩是由珊瑚形成的，通称为珊瑚礁石灰岩。在澎湖，珊瑚礁石俗称「石」，居民用以作为围墙建材，以遮蔽强烈的东北季风，保护农作物。

6. 泥岩：由于其主要成分是黏土，自古就被作为砖瓦、陶器的原料。 7. 安山岩：由于材质坚硬，亦常用来作庙宇的龙柱、墙壁的石雕、墓碑、地砖等。

二、可提炼金属的矿物

1. 金矿：含金的岩石经过风化和侵蚀作用，金会被分离出来而成自然金，因为金比泥沙重得多，容易沉积下来，经过淘洗，就成为黄金。 2. 黄铜矿：黄铜矿是提炼铜最主要的矿物。

3. 方铅矿：方铅矿呈现铅灰色，有立方体的解理，是最重要的含铅矿物。 4. 赤铁矿：赤铁矿外观颜色呈现铁灰色或红褐色，是最重要的含铁矿物。 5. 磁铁矿：磁铁矿属含铁矿物，具有磁性，吸附含铁物质。 三、珍贵的宝石

矿物若具有坚硬、稀有、耐久、透明且颜色美丽的特点，即常被用来作为装饰品，一般称为宝石，以下是常见的宝石简介：

1. 钻石：即俗称的金刚石，有许多种颜色，如淡黄、褐、白、蓝、绿、红等，其中以无色透明的价值最高。

2. 刚玉：刚玉也有许多不同的颜色，如：红色的刚玉俗名红宝石，蓝色的刚玉叫做蓝宝石。其化学成分为三氧化二铝。

3. 蛋白石：一般为无色或白色，有些具有特殊的晕彩。

4. 水晶：纯石英单晶称为水晶，水晶内因含不同杂质而呈现不同颜色，如：黄水晶、紫水晶等。石英的纤维状显微晶聚合体称为玉髓；石英的粒状显微晶聚合体称为燧石，这两种矿物是台东县重要的玉石。 四、做为颜料

有些矿物具有特别的颜色，可用来作成颜料，如蓝色的蓝铜矿，绿色的孔雀石，红色的辰砂。 五、其他用途

1. 石英：石英是制造玻璃及半导体的主要原料，如：苗栗县汶水溪的上福基砂岩中的石英砂即为制造玻璃的主要材料。

2. 方解石：方解石存在于大理岩及石灰岩中，是制造水泥的主要原料。

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3. 白云母：白云母因不导电、不导热且具有高熔点的特性，因此经常被用来作为电热器中绝缘体的材料。

4. 石墨：硬度低，且具有油脂光泽，条痕为黑色，常用于制造铅笔芯，此外石墨还可以做成润滑剂、电极、坩埚等。

5. 硫磺：火山地区的温泉中即含有黄色的硫磺。

6. 石膏：石膏一般用于固定骨折受伤处，或做成塑像，也用于建筑工业。 7. 磷灰石：用于制造农业用磷肥。

8. 蛇纹石：含有镁的成分，可用于炼钢工业上。

9. 滑石：硬度低，有滑腻感；通常被研磨成粉末，以制造颜料、爽身粉、去污粉、化妆品等。

岩石的产地

地球形成之出，地核的引力把宇宙中的尘埃吸过来，凝聚的尘埃就变成了山石，经过风化，变成了岩石。接着就变成陨石，在没有落入地球大气层时，是游离于外太空的石质的，铁质的或是石铁混合的物质，若是落入大气层，在没有被大气烧毁而落到地面就成了我们平时见到的陨石，简单的说，所谓陨石，就是微缩版的小行星“撞击了地球”而留下的残骸。

岩石的种类

① 火成岩 也称岩浆岩。来自地球内部的熔融物质，在不同地质条件下冷凝固结而成的岩石。当熔浆由火山通道喷溢出地表凝固形成的岩石，称喷出岩或称火山岩。常见的火山岩有玄武岩、安山岩和流纹岩等。当熔岩上升未达地表而在地壳一定深度凝结而形成的岩石称侵入岩，按侵入部位不同又分为深成岩和浅成岩。 花岗岩、辉长岩、闪长岩是典型的深成岩。花岗斑岩、辉长玢岩和闪长玢岩是常见的浅成岩 。根据化学组分又可将火成岩分为 超基性岩 （SiO2 ，小于45％）、 基性岩 （SiO2 ，45％～52％）、 中性岩 （SiO2 ，52％～65％）、 酸性岩 （SiO 2 ，大于65％）和 碱性岩 （含有特殊碱性矿物，SiO 2 ，52％～66％）。火成岩占地壳体积的.7％。

② 沉积岩 。在地表常温、常压条件下，由风化物质、火山碎屑、有机物及少量宇宙物质经搬运、沉积和成岩作用形成的层状岩石。按成因可分为 碎屑岩 、 粘土岩 和化学岩(包括生物化学岩)。常见的沉积岩有 砂岩 、凝灰质砂岩、 砾岩 、粘土岩、 页岩 、 石灰岩 、 白云岩 、 硅质岩 、 铁质岩 、 磷质岩 等。沉积岩占地壳体积的7.9％，但在地壳表层分布则甚广，约占陆地面积的75％，而海底几乎全部为沉积物所覆盖。

沉积岩有两个突出特征：一是具有层次，称为层理构造。层与层的界面叫层面，通常下面的岩层比上面的岩层年龄古老。二是许多沉积岩中有“石质化”的古代生物的遗体或生存、活动的痕迹-----化石，它是判定地质年龄和研究古地理环境的珍贵资料，被称作是纪录地球历史的“书页”和“文字“。

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③ 变质岩 。原有岩石经变质作用而形成的岩石。根据变质作用类型的不同，可将变质岩分为5类：动力变质岩、接触变质岩、区域变质岩、混合岩和交代变质岩。常见的变质岩有 糜棱岩 、碎裂岩、 角岩 、板岩、 千枚岩 、 片岩 、 片麻岩 、 大理岩 、 石英岩 、角闪岩、片粒岩、榴辉岩、 混合岩 等。变质岩占地壳体积的27.4％。

岩石具有特定的比重、孔隙度、抗压强度和抗拉强度等物理性质，是建筑、钻探、掘进等工程需要考虑的因素，也是各种矿产资源赋存的载体，不同种类的岩石含有不同的矿产。以火成岩为例，基性超基性岩与亲铁元素，如铬、镍、铂族元素、钛、钒、铁等有关；酸性岩与亲石原素如钨、锡、钼、铍、锂、铌、钽、铀有关；金刚石仅产于金伯利岩和钾镁煌斑岩中；铬铁矿多产于纯橄榄岩中；中国华南燕山早期花岗岩中盛产钨锡矿床；燕山晚期花岗岩中常形成的锡矿及铌、钽、铍矿床。石油和煤只生于沉积岩中。前寒武纪变质岩石中的铁矿具有世界性。许多岩石本身也是重要的工业原料，如北京的汉白玉（一种白色大理岩）是闻名中外建筑装饰材料，南京的雨花石、福建的寿山石、浙江的青田石是良好的工艺美术石材，即使那些不被人注意的河沙和卵石也是非常有用的建筑材料。许多岩石还是重要的中药用原料，如麦饭石（一种中酸性脉岩）就是十分流行的药用岩石。岩石还是构成旅游资源的重要因素，世界上的名山、大川、奇峰异洞都与岩石有关。我们祖先从石器时代起就开始利用岩石，在科学技术高度发展的今天，人们的衣、食、住、行、游、医……无一能离开岩石。研究岩石、利用岩石、藏石、玩石、爱石已不再是科学家的专利，而逐渐变成广大群众生活的组成部分。

岩石的风化

岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象。导致上述现象的作用称风化作用。分为：①物理风化作用。主要包括温度变化引起的岩石胀缩、岩石裂隙中水的冻结和盐类结晶引起的撑胀、岩石因荷载解除引起的膨胀等。②化学风化作用。包括：水对岩石的溶解作用；矿物吸收水分形成新的含水矿物，从而引起岩石膨胀崩解的水化作用；矿物与水反应分解为新矿物的水解作用；岩石因受空气或水中游离氧作用而致破坏的氧化作用。③生物风化作用。包括动物和植物对岩石的破坏，其对岩石的机械破坏亦属物理风化作用，其尸体分解对岩石的侵蚀亦属化学风化作用。人为破坏也是岩石风化的重要原因。岩石风化程度可分为全风化、强风化、弱风化和微风化4个级别。

大约在200年前，人们可能认为高山、湖泊和沙漠都是地球上永恒不变的特征。可现在我们已经知道高山最终将被风化和剥蚀为平地，湖泊终将被沉积物和植被填满，沙漠会随着气候的变化而行踪不定。地球上的物质永无止境地运动着。暴露在地壳表面的大部分岩石都处在与其形成时不同的物理化学条件下，而且地表富含氧气、二氧化碳和水，因而岩石极易发生变化和破坏。表现为整块的岩石变为碎块，或其成分发生变化，最终使坚硬的岩石变成松散的碎屑和土壤。矿物和岩石在地表条件下发生的机械碎裂和化学分解过程称为风化。由于风、水流及冰川等动力将风化作用的产物搬离原地的作用过程叫做剥蚀

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地表岩石在原地发生机械破碎而不改变其化学成分也不新矿物的作用称物理风化作用。如矿物岩石的热胀冷缩、冰劈作用、层裂和盐分结晶等作用均可使岩石由大块变成小块以至完全碎裂。化学风化作用是指地表岩石受到水、氧气和二氧化碳的作用而发生化学成分和矿物成分变化，并产生新矿物的作用。主要通过溶解作用水化作用水解作用碳酸化作用和氧化作用等式进行。

虽然所有的岩石都会风化，但并不是都按同一条路径或同一个速率发生变化。经过长年累月对不同条件下风化岩石的观察，我们知道岩石特征、气候和地形条件是控制岩石风化的主要因素。不同的岩石具有不同的矿物组成和结构构造，不同矿物的溶解性差异很大。节理、层理和孔隙的分布状况和矿物的粒度，又决定了岩石的易碎性和表面积。风化速率的差异，可以从不同岩石类型的石碑上表现出来。如花岗岩石碑，其成分主要是硅酸盐矿物。这种石碑就能很好地抵御化学风化。而大理岩石碑则明显地容易遭受风化。

气候因素主要是通过气温、降雨量以及生物的繁殖状况而表现的。在温暖和潮湿的环境下，气温高，降雨量大，植物茂密，微生物活跃，化学风化作用速度快而充分，岩石的分解向纵深发展可形成巨厚的风化层。在极地和沙漠地区，由于气候干冷，化学风化的作用不大，岩石易破碎为棱角状的碎屑。最典型的例子，是将矗立于干燥的埃及已35个世纪并保存完好的克列奥帕特拉花岗岩尖柱塔，搬移到空气污染严重的纽约城中心公园之后，仅过了75年就已面目全非。

地势的高度影响到气候：中低纬度的高山区山麓与山顶的温度、气候差别很大，其生物界面貌显著不同。因而风化作用也存在显著的差别。地势的起伏程度对于风化作用也具普遍意义：地势起伏大的山区，风化产物易被外力剥蚀而使基岩裸露，加速风化。山坡的方向涉及到气候和日照强度，如山体的向阳坡日照强，雨水多，而山体的背阳坡可能常年冰雪不化，显然岩石的风化特点差别较大。

剥蚀与风化作用在大自然中相辅相成，只有当岩石被风化后，才易被剥蚀。而当岩石被剥蚀后，才能露出新鲜的岩石，使之继续风化。风化产物的搬运是剥蚀作用的主要体现。当岩屑随着搬运介质，如风或水等流动时，会对地表、河床及湖岸带产生侵蚀。这样也就产生更多的碎屑，为沉积作用提供了物质条件。

岩石在日光、水分、生物和空气的作用下，逐渐被破坏和分解为沙和泥土，称为风化作用。沙和泥土就是岩石风化后的产物。 一、岩石的风化现象。

岩石的疏松、剥落、裂缝这些都是岩石的风化现象。 二、岩石的产生风化的原因。 岩石，是在地质作用下形成的矿物聚合体，其中海面下的岩石称为礁、暗礁及暗沙，由一种或多种矿物组成的，具有一定结构构造的集合体，也有少数包含有生物的遗骸或遗迹（即化石）。岩石有三态：固态、

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气态（如天然气）、液态（如石油），但主要是固态物质，是组成地壳的物质之一，是构成地球岩石圈的主要成分。 岩石根据其成因、构造和化学成分分类，按其成因主要分为三大类：火成岩（岩浆岩）、沉积岩和变质岩，从地表深至16千米的岩石圈中，火成岩大约占95%，沉积岩只有不足5%，变质岩最少，不足1%。 火成岩是地幔中的岩浆涌入岩石圈或出露地表冷凝成固态形成的；沉积岩是由外力作用下形成的，其中一部分又叫“水成岩”，是由水将风化或水侵蚀的物质搬运沉积形成的；变质岩是由于地球内力的高温高压造成岩石中的化学成分改变或重结晶形成的。 火成岩按化学成分和矿物组成总体可分为两大类：酸性火成岩和碱性火成岩，详细可分为：苦榄岩 – 玄武岩 – 安山岩 – 花岗岩 – 粗面岩 – 响岩 – 脉岩 – 火山碎屑岩 类。火成岩按成因分为两类，一类是岩浆出露地表凝却而形成的火山岩，一类是岩浆在地表以下凝却形成的侵入岩。火山碎屑岩、玄武岩是一种火山岩，脉岩、花岗岩是一种侵入岩。 沉积岩按沉积结构和组成可分为：页岩 – 砂岩 – 石灰岩 – 生物岩 – 化学岩， 主要分布在地表浅层。 变质岩分为两大类：“正变质岩”和“副变质岩”，正变质岩是火成岩经变质作用形成的，副变质岩是沉积岩经变质作用形成的。主要的经济矿物都是在变质岩中生成的。

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岩石的種類

什麼是三大岩石類﹖

岩石為礦物的集合體，是組成地殼的主要物質。岩石可以由一種礦物所組成，如石灰岩僅由方解石一種礦物所組成；也可由多種礦物所組成，如花崗岩則由石英、長石、雲母等多種礦物集合而成。組成岩石的物質大部分都是無機物質。岩石可以按照其成因因分為三大類，但由於自然界是連續體，很難真正依據我們的非類分成三種岩性，因此會存在一些過度性的岩石，好比說凝灰岩(火山灰塵與岩塊落入地表或水中堆積膠結而成)就可能被歸於沉積岩或火成岩，但大抵是我們還是可以分為主要的三大類：

沉積岩

佔地表的66%，為地表的主要岩類。由原來已形成的岩石，受到風化作用後變為碎屑，或由生物的遺跡等，再經過侵蝕、沉積、及石化等作用而造成的岩石。這類岩石都成層狀，最先沉積者在下部，時代較老；層次愈上者，則時代愈新，這叫做疊置層法則。當岩石沉積的時候往往含有生物的一還埋沒後長可以完好保存歷久就變成化石；在火成岩中則多無化石存在。

火成岩

地球內部的溫度和壓力都很高，所有組成物質﹝指礦物質﹞都呈現熔融狀態的流體，名為岩漿。火成岩即由於岩漿侵入地殼內部，或流出地表面造成熔岩，

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在經冷卻凝固而造成，如玄武岩及花崗岩等都是。火成岩是所有岩石中最原始的岩石。

變質岩

原來的火成岩或沉積岩，再經過地殼運動或岩漿侵入作用所發生的高溫和高壓與熱液的影響，可以改變其原來岩石的結構或組織，或使部分礦物消失，而產生他種新的礦物，因而成為另外一種與原岩不同的岩石，稱為變質岩，如大理岩變自石灰岩；板岩變自頁岩；石英岩變自砂岩等。典型的變質岩存在於前寒武紀或造山帶區域，常有區域構造相關之劈理，或礦物的變化。

岩石分类

岩石的面貌是千变万化的，从成因上来划分，可以把岩石分为三大类：沉积岩、岩浆岩和变质岩。

1、沉积岩

沉积岩是在地表或近地表不太深的地方形成的一种岩石类型。它是由风化产物、火山物质、有机物质等碎屑物质在常温常压下经过搬运、沉积和石化作用，最后形成的岩石。不论那种方式形成的碎屑物质都要经历搬运过程，然后在合适的环境中沉积下来，经过漫长的压实作用，石化成坚硬的沉积岩。

沉积岩依照沈积物颗粒的大小又分砾岩、砂岩、页岩、石灰岩.沉积岩的形成 1.风化侵蚀：在河流上的大石头，经年累月被侵蚀风化，逐渐崩解成小的沙泥、碎屑。 2.搬运：这些碎屑被水流从上游搬运到下游。 3.堆积：下游流速减缓，搬运力减小，岩石碎屑便沉积下来。 4.压密：新的沉积物压在旧的沉积物上，时间久了，底下的沉积物被压得较紧实。 5.胶结：地下水经过沉积物的孔隙，带来的矿物质填满孔隙，使岩石碎屑颗粒紧紧胶结在一起，形成沉积岩。 6.露出：堆积在海底的沉积岩层在板块运动的推挤下拱出海面，露出地表。

2、岩浆岩

岩浆岩也叫火成岩，是在地壳深处或在上地幔中形成的岩浆，在侵入到地壳上部或者喷出到地表冷却固结并经过结晶作用而形成的岩石。因为它生成的条件

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与沉积岩差别很大，因此，它的特点也与沉积岩明显不同。

岩浆岩又分安山岩、玄武岩、花岗岩。 由地底岩浆冷却凝固形成，由于岩浆成分和冷却凝固方式不同，便形成不同的火成岩。岩浆岩的形成: 1.安山岩：岩浆藉由火山口喷发出地面，快速冷却形成的。 2.玄武岩：岩浆经由缓和喷发漫流而出，逐渐冷凝形成的。 3.花岗岩：岩浆并不喷出地面，而是在地底下慢慢冷却形成的。

3、变质岩

在地壳形成和发展过程中，早先形成的岩石，包括沉积岩、岩浆岩，由于后来地质环境和物理化学条件的变化，在固态情况下发生了矿物组成调整、结构构造改变甚至化学成分的变化，而形成一种新的岩石，这种岩石被称为变质岩。变质岩是地壳中最主要的岩石类型之一。

变质岩又分：板岩、片岩、片麻岩、大理岩。 变质岩的形成:1.为变质前的岩层：由于沉积或火山作用，堆积出一层层岩层。 2.挤压岩层：在强大挤压和摩擦力之下，产生温度和压力，使得深埋在地底下的岩石发生变质作用。 3.变质成新岩石：岩石里零散分布的矿物结晶会呈规矩排列，或生出新矿物来，而变成各种新的变质岩。

土的力学性质特征与工程分类

1. 土的压缩性

土的压缩性通常用天然原状土在室内做有侧限压缩试验来确定。这种只受垂向压缩，侧向不变形的受力条件与自然土层承受大面积均匀载荷很接近。土的压缩系数：

（1-15） 式中： P1、P2--地基某深处土的竖向自重应力和该处自重应力与附加应力之和，MPa； e1、e2--相应于P1、P2作用下压缩稳定后的孔隙比，其物理概念同式（1-1）。

在《建筑地基基础设计规范》中以P1=0.1MPa,P2=0.2MPa时对应的压缩系数作为土的压缩性分类标志。 2. 土的抗剪性

对于无粘性土，颗粒间的连接力很微弱，其抗剪力主要来自土粒间的内摩擦力和嵌合力，与土粒表面的粗糙度、密度、颗粒大小及粒度级配有关。对于粘性土，由于颗粒间存在着一定的连接力，除了内摩擦力外，其颗粒间连接力往往起着更重要的作用，同时它的内摩擦力随含水量的增高而降低。土的抗剪强度：

（1-16）

式中： C--土的粘聚力，kPa；ζ--剪切滑动面上的法向总应力，kPa；φ--土的内摩擦角，°。

常用的抗剪强度测定方法有：直接剪切试验，三轴剪切试验，无侧限抗压试

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验和十字板剪切试验。 3. 土的极限平衡条件

当土体中任一点在某方向平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，该点即处于极限平衡状态。它取决于C、φ与主应力ζ1、ζ3之间的关系。由土的极限平衡条件可得出，剪切面上剪应力

时，土体的剪切破碎面与最大主应力ζ1的夹角为

三、土的工程分类 1. 碎石土

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土。可分为块石（漂石）、碎石（卵石）、角漂（圆砾）等。 2. 砂土

粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%及粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土称为砂土。可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。 3. 粉土

粒径大于0.075mm的颗粒不超过全重50%，且塑性指数等于或小于10的土称为粉土。可分为砂质粉土和粘质粉土。 4. 粘性土

塑性系数大于10的土称为粘性土。粘性土分布最广，据塑性指数可分为粘土和粉质粘土。

土的物理性质特征

通常土被当作三相体系来研究，它由相互作用着的固体、液体、气体三部分组成。固体矿物颗粒（土粒）是土的骨架。在骨架间的孔隙中存在着液体（一般为水）和气体，在低温下还可能有冰。孔隙完全被水充满的土称为饱和土，孔隙完全被气体充满时称为干土，它们均属二相体系。从岩土钻掘工程的角度出发，我们除了注意与岩石类似的物理力学性质指标（密度、孔隙度、弹性等）外，还必须掌握土的以下物理力学特征。

土粒的大小、形状、矿物成分是决定土物理力学性质的基础。粗大土粒往往是岩石经风化后形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，如石英、长石等。而细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质。

1. 土的含水量

含水量是表示土的湿度的重要指标。天然土层的含水量变化范围很大，一般干的粗砂土含水量接近于零，而饱和砂土可达40%。同类土，含水量增大，则强度降低。

土的天然含水量

（1-12）

式中： wW、wS--土中水的质量、土粒的质量，kg。 2. 土的密实度

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天然状态下的无粘性土呈疏散状态时，其压缩性与透水性较高，强度较低；密实后其压缩性小，强度较高，可作为良好的地基。工程上常用密实度来评定无粘性土的地基承载力。碎石土和砂土的密实度可根据野外鉴定结果分成密实、中密、稍密和松散几个等级。 3. 土的塑性指数和液性指数

粘性土在一定的含水量范围内，可用外力塑成任何形状，而当外力移去后仍保持原有形状，这种性能称为可塑性。土由可塑状态转为半固态的界限含水量叫做塑限(wP)；土由流动状态转为可塑状态的界限含水量叫做液限(wL)。土处在可塑状态的含水量变化范围用塑性指数(IP)来表示，而判断粘性土的软硬程度则用液性指数（又称稠度）(IL)表示。 （1-13） 4. 土的渗透系数

水通过土中孔隙的难易程度可用渗透系数来表示，在地基处理和沉降计算过程中常要用到这一指标。土的渗透系数：

(cm/s) (1-14)

式中： v--水在土中的渗透速度，cm/s；i--水头梯度。

岩石的强度

强度是固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破坏的性能指标。岩石在给定的变形方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限ζ。

影响岩石强度的因素基本上可分为自然因素和工艺因素两大类。

（1）一般造岩矿物强度高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度对岩石强度的影响愈小。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。

（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。

（3）岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两

者之间。

（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。不同受载方式下的岩石强度相对值如表11所列。由表中数据可见，岩石在受压时表现出最大的抵抗破坏能力，而在大多数情况下岩石的抗剪强度极限几乎是抗压强度极限的10%左右。因此，我们希望在岩石钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。

表11 不同受载方式下的岩石强度相对值 不同受载方式下的岩石强度相对值 岩石 抗压 抗拉 抗弯 抗剪 花岗岩 1 0.02～0.04 0.08. 0.09 砂岩 1 0.02～0.05 0.06～0.20 0.10～0.12 石灰岩 1 0.04～0.10 0.08～0.10 0.15 12

（5）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。 （6）加载速度的影响主要表现在两个方面：① 外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，大幅度地提高了岩石的强度；② 加载速度对塑性岩石强度的影响大于对脆性岩石强度的影响。应该指出，在当前技术条件下用牙轮钻头破碎岩石时，其牙齿冲击岩石的速度不大于5m/s，这时岩石的力学性质并未呈现出本质性的差异。

岩石的单轴抗压强度在液压试验机上测定。抗压强度极限的值按下式计算： （1－7）

式中： P--岩石破坏瞬时的轴向载荷，N；F--岩石试样的截面积，m2。 由于岩石为非均质物质，故其抗压强度极限应取多次重复试验的算术平均值

（1-8）

式中： --岩样各次试验的抗压强度极限；n--岩样试验的次数（对均质岩石，n=3；而非均质岩石，n=6）。

岩石的硬度

岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。

硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。因此，硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩石表面移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生剪切破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。

影响岩石硬度的因素也可分为自然因素和工艺因素两大类：

（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙发育的岩石硬度将会降低。

（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。 （3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。

（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。

在测量岩石硬度的过程中，应注意区分造岩矿物颗粒的硬度和岩石的组合硬度。前者主要影响钻掘工具的寿命，而后者则对钻进中的机械钻速起重大影响。 目前国际上普遍采用如图11所示的装置测定岩石的硬度值Hy（通常称为压入硬度）：

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（Pa) (1-9)

式中： Pmax--在压入作用下岩石产生局部脆性破碎时的轴载，N；S--压头底面积，常用的硬质合金压头底面积为1～5(10-6m2)。

通常岩石的压入硬度Hy大于其单轴抗压强度ζc，例如抗压强度ζc为180MPa的花岗岩，其压入硬度Hy=600MPa。这可解释为在压头作用下，岩石某一点上处于各向受压的应力状态。

我国研究者研制的摆球硬度计如图12所示，它是一种冲击回弹式仪表，实质是观察通过能量转换方式实现的摆球回弹现象，以回弹次数来确定岩石的硬度。

图1-1 测试压入岩石硬度的装置

图1-2 摆球硬度计

1-液压缸； 2-液压柱塞； 3-岩样； 4-1-底盘； 2-岩样； 3-刻度盘； 4-摆球；

压头；5-压力机上压板； 6-千分表； 7-5-水平调节螺丝； 6-岩样固定器螺杆

柱塞导向杆

岩石的变形特征及其分类

做压入试验时，记录下载荷P与侵入深度δ的相关曲线。按岩石在压头压入时的变形曲线和破碎特性（图1-3）可把岩石分成以下三类： 1. 弹脆性岩石

弹脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为Pmax处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h［图1-3(a)和图1-4(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5。

2. 弹塑性岩石

弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点载荷达Pmax时才突然发生脆性破碎［图1-3(b)和图1-4(b)］。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。

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图1-3 压头压入条件下的岩石变形曲线图

(a)-弹脆性岩石（石英岩）； (b)-弹塑性岩石（大理岩）； (c)-高塑性岩石（盐岩）； P-压头载荷； P0-从弹性变形过渡到塑性变形的载荷； Pmax-岩石产生

脆性破碎的载荷； δ-岩石产生弹性变形的侵深； α-变形角

图1-4 岩石表面的压入与破碎穴

(a)-弹脆性岩石; (b)-弹塑性岩石; (c)-高塑性高孔隙度的岩石; δ-岩石中的

最大变形; h-岩石破碎穴深度

3. 高塑性和高孔隙性岩石

高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎［图1-3(c)和图1-4(c)］，h/δ=1。因此，计算这类岩石的硬度时只能用P0代替公式（1-9）中的Pmax。

岩石的弹性和塑性

物体在外力作用下产生变形，撤消外力后，变形随之消失，物体恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性；而外力撤消后，物体变形不能消失的性质称为塑性。 在弹性变形阶段，应力与应变服从虎克定律。虽然岩石（尤其是沉积岩）并非理想的弹性体，但仍可以用压入试验测出的弹性模量E来满足工程施工的需要。

弹性模量的表达式为 E=ζ/ε （1-10）

用岩石的塑性系数来定量地表征岩石塑性及脆性的大小。

塑性系数K为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前的弹性破碎功AE之比。 在图1-3(a)中，对于弹脆性岩石，岩石破碎前耗费的总功AF与弹性破碎功AE相等，K=1；对于高塑性岩石，很明显K→∞。 而弹－塑性岩石

(1-11)

岩石按塑性系数的大小可分成三类六级，如表1-2所示。

表12 岩石按塑性系数的分级

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弹－塑性 高塑性 低塑性－－－>高塑性 级别 1 2 3 4 5 6 塑性系数 1 >1～2 2～3 3～4 4～5 >6～∞ 一般岩浆岩和变质岩的弹性模量大于沉积岩，而塑性系数则相反。影响岩石弹性和塑性的主要因素有：

（1）对岩浆岩和变质岩而言，造岩矿物的弹性模量越高，岩石的弹性模量也高，但后者不会超过前者。沉积岩的弹性模量取决于岩石的碎屑和胶结物及胶结状况。在碎屑颗粒成分相同的条件下，岩石弹性模量由大到小的次序是：硅质胶结最大，钙质胶结次之，泥质胶结最小。

（2）造岩矿物的颗粒越细，岩石越致密，岩石的弹性模量越大。岩石的弹性模量也具有各向异性，平行于层理方向的弹性模量大于垂直于层理方向的弹性模量。

（3）单向压缩时岩石往往表现为弹脆性体，但在各向压缩时则表现出不同程度的塑性，破坏前都产生一定的塑性变形。这意味着在各向压缩下需要更大的载荷才能破坏岩石的连续性。

（4）温度升高岩石的弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表现为从脆性向塑性转化。在超深钻和地热孔施工中应注意这一影响。 岩石类别 弹－脆性 岩石的孔隙比与孔隙度

岩石的孔隙比

(1-1)

式中： VP--岩石中的孔隙体积；Vc--岩石中固相骨架的体积。 岩石的孔隙度

(1-2)

式中：V--岩石的总体积。

岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙度（砂岩55%，灰岩0～45%），随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。 三、岩石的密度与容重

均质物质的密度为质量与体积之比。但岩石的孔隙中可能充有水或气体，所以必须分别考虑岩石的骨架密度和体积密度。体积密度指在自然状态下岩石的质量(m)与带孔隙的岩石体积之比。体积密度：

岩石的骨架密度γc是单位体积岩石固相骨架的质量： （1-4）

式中： G--岩石固相骨架的质量。

岩石的容重γs是单位体积岩石的质量： (1-5） 式中： P--岩石的孔隙度。

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（1-3）

可用岩石的容重来计算岩体的压力，而确定液柱对孔壁的压力时则须用到钻井液的密度。

四、岩石的结构与构造

岩石的结构反映岩石的微观组织特征，体现了岩石中矿物或碎屑的粒度、形状和表面性质。从岩土钻掘工程的角度看，岩石的结构反映着岩石的非均质性和孔隙性。

岩石的构造反映岩石的宏观组织特征，它与岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况有关。它决定着岩石的各向异性和裂隙性（有时称作节理）。

岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有密切的联系。 岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有显著影响。 沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。例如，碎屑岩具有碎屑结构，按碎屑的大小可分为砾状结构（碎屑直径＞2mm）、粗粒结构（碎屑直径1～2mm）、中砂结构（碎屑直径0.1～1mm）和粉砂结构（碎屑直径0.01～0.1mm）。碎屑岩的胶结形式也对岩石的力学性质有着显著影响。沉积岩通常具有层状构造，它是由层理决定的。层理反映岩石在垂直方向上成分的变化，即岩石颗粒大小在垂直方向上的改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的定向排列。层理导致岩石的各向异性。

变质岩是在高温高压下生成的，一般具有晶体结构、片理状构造。所谓片理就是岩石沿平行平面为薄片的能力。片理也会引起岩石的各向异性。 用各向异性系数来表征岩石在不同的方向上力学性质的差异： Ka=x‖/x⊥ （1-6）

式中： x‖--平行于岩石层理方向上的力学性质；x⊥--垂直于岩石层理方向上的力学性质。

土的力学性质特征与工程分类 土的物理性质特征 岩石的弹性和塑性

岩石的变形特征及其分类 岩石的硬度 岩石的强度

岩石的孔隙比与孔隙度

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