第1章　岩石及其工程地质性质

地球是宇宙中沿一定轨道运转的由不同状态的不同物质的同心圈层组成的球体。地球赤道半径为6378.137km，极半径为6356.752km，平均半径为6371km。地球的外层被大气、水和生物所包围。固体的表层是由岩石组成的硬壳——地壳，它是各种工程建筑的场所，是人类生存和活动的地方。因此，了解地壳的物质组成、结构及性质具有重要的意义。

根据地震波在地球内部传播的速度随深度的变化特征，可知地球内部存在两处最明显的分界面，分别是大陆部分在海平面以下平均33km深处的莫霍面和约2900km深处的古登堡面。它们将地球内部物质分成明显的同心圈层构造，如图1.1所示。

自古登堡面以下至地心部分称为地核。厚度约为3470km，主要由平均密度为10～12g/cm3的铁、镍物质组成。推测温度达3500～4700℃，地心压力达3.7×1011Pa。根据地震纵波速度的变化情况，地核又可分为厚度为2250km的液态外核和厚度为1220km的固态内核。

地幔是莫霍面以下至古登堡面以上的部分，厚度约为2900km。根据地震波速度的变化，以约670km深度为界，可分为上地幔和下地幔两个次级圈层。上地幔由含较多铁、镁的硅酸盐矿物组成，与超基性岩相类似。平均密度为3.5g/cm3。温度达1200～2000℃，压力为（2.5～22）×109Pa。在深度60～400km处，特别是100～150km深度范围，存在熔融状态物质，故也称为软流圈，一般认为是岩浆的发源地。下地幔化学成分与上地幔基本无区别。平均密度5.5g/cm3。温度达2000～3200℃。由于这一区间压力达（22～150）×109Pa，可能形成晶体结构紧密的高密度硅酸盐矿物。

软流圈以上的最上部地幔和地壳合称为岩石圈。

地壳是莫霍面以上地球的固体表层部分，厚度变化很大。平均厚度约18km。大陆地壳是大陆及大陆架部分的地壳，它具有上部为硅铝层、下部为硅镁层的双层结构。陆壳的平均厚度超过37km，但各地厚度相差很大，介于10～70km之间，高山和高原地区地壳通常较厚，平原地区较薄，平均密度为2.7g/cm3。大洋地壳简称洋壳，其厚度较薄，平均仅约为7km，一般缺硅铝层，平均密度为3.0g/cm3。

图1.1　地球的内部构造（单位；厚度，km）

组成地壳的化学元素有百余种，但各元素的含量极不均匀，其中最主要的是下列10种，它们占地壳总质量的99.96%，它们的质量百分率如下：氧（O）46.95%，硅（Si）27.70%，铝（Al）8.13%，铁（Fe）5.17%，钙（Ca）3.65%，钠（Na）2.78%，钾（K）2.58%，镁（Mg）2.06%，钛（Ti）0.62%，氢（H）0.14%。其余的是磷、锰、氮、硫、钡、氯等近百种元素。

地壳中的化学元素常随环境的改变而不断地变化。元素在一定地质条件下形成矿物，矿物的自然集合体则是岩石。组成地壳的岩石按成因可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩和变质岩三大类。它们在地壳中的分布并不均匀。从各类岩石在地壳表面的分布面积看，沉积岩约占陆地面积的75%，变质岩和岩浆岩占25%。从地表往下，沉积岩所占比例逐渐减小。若按质量百分比计算，沉积岩仅占地壳质量的5%，变质岩占6%，而岩浆岩占89%。不同成因的岩石的形成条件、物质成分、结构和构造各不相同，故它们的物理力学性质也不一样。这些都关系到工程建筑的规划、设计和施工。