地质学基础讲稿.doc

地 质 学 基 础 讲 稿主讲：二00三年二月0 绪论M 地质学的概念M 地质学的研究对象与研究任务M 地质学的特征与研究方法M 地质学基础的主要内容、教学重点M 地质学基础与其它后继课程的关系，该课程的知识在油气田开发系统工程中的作用与地位 让学生明确学习该门课程的必要性和重要性，激发学生学习兴趣0.1 介绍l 教师介绍： l 课程介绍：基础地质课程 l 地质学基础：& 石油工程专业的一门重要基础课；& 油气藏地质、石油工程测井、钻井工程、采油工程、油藏工程、天然气工程的重要基础课；& 地学基础，重点是关于地层、沉积岩、地质构造方面的知识、理论、技能0.2 地质学的研究对象和任务0.2.1地质学的定义l 地质学以地球为研究对象的一门自然科学。 或者说，地质学是研究地壳的物质组成及其变化规律、地壳构造和地壳运动、古生物特征及其演化规律、有用矿产的形成及其分布规律、探矿方法等服务于生产的自然科学。& 古老而年轻的学科地质学是地学中的主要分科。它的发展历史可谓源远流长，但直至公元十八世纪后半期才开始成为一门独立的学科，至今，已有近三百年的研究历史。F 进化论的观点认为，宇宙物质创造了地球，地球创造了生物，包括人类。人类一旦产生，其衣食住行都离不开地球（嫦娥、孙悟空等人例外），对地球上的万事万物都会自觉不自觉地产生正确或不正确的认识。F 我国：从我国历史文献的记载来看，远在奴隶社会的春秋战果时代（公元前700400年），对地球上的地质现象都有不少正确的见解。如诗经：高岸为谷，深谷为陵。中国古代道家的金木水火土五行学说等都体现了对地质现象的朴素唯物主义认识。F 国外：奴隶社会的古希腊（公元前600300年），对地震、火山、海陆变迁、洪水等地质现象都有不少非神论的解释。如著名的水成论（Thales,636-546B.C.）和火成论（赫勒克莱特）之争。亚里斯多德认为“万事万物皆由火、土、水、空气四种元素配合而成”。& 它的发展与其它学科有相似之处，即由概略到详细、由总体研究到越来越细的分科研究。十九世纪中期，由于岩石显微镜的引入，大大拓宽了地质学研究的领域，促使地质学向纵深发展。即地质学的内涵不断丰富，外延也越来越宽泛。0.2.2 研究对象l 研究对象地球地壳地壳的岩石圈。& 地质学的研究对象是地球。目前，人类的经济生活主要局限于地球表面，同时，也由于科学技术条件的限制，地质学研究的最主要对象是地球的表层，也就是地壳。& a. 人类生活在地球上，生产及生活资料都取自地球F 对矿产资源(包括能源及农业用矿物肥料)：研究其形成和分布的规律性是关系其能否合理开发利用的依据；石油、天然气、煤、金属、非金属矿产F 对一些基础建设如道路、桥梁、水坝等：无一不需要地质勘查资料。三峡大坝F 许多自然灾害如地震、火山爆发，泥石流等均属地质现象加强地质研究准确测报，可减小灾害损失。唐山地震F 地质作用所形成的自然景观，有许多是可供开发的旅游资源：如石林、峨嵋、九寨沟等。& b. 科学技术条件的限制：目前的技术虽可九天揽月、五洋捉鳖，但对人类赖以生存的地球的了解还是很有限的。目前最深的钻井也就11000多米。0.2.2 研究任务l 研究任务& 研究地球（地壳）的物质组成、形成、分布及演化规律；& 研究地球的内部结构、地表形态及其发展变化的规律性。0.2.3 地质学分支& 随着人类的生产活动和科学技术的发展，地质学也逐渐建立和形成了许多分支学科，发展成为一个完整的学科体系。& 地学作为一门科学，可谓历史悠久，属于理学的范畴，与工学的区别。l 地质学分支：地质学结晶学（crystallography），矿物学（mineralogy），岩石学（petrology） 研究地球(主要是岩石圈)物质组成及其变化规律。矿物学主要研究矿物的化学成分、物理性质、分类、成因和用途。 岩石学主要研究岩石的化学成分、矿物成分及其组合规律、成因和分类。 构造地质学（structural geology），大地构造学（tectonics），地貌学（geomorphology），地质力学（geomechanics）等研究地球结构，地壳运动及地表形态形成发展变化规律。 构造地质学主要研究岩层和岩体的各种构造形式、成因及其发展现律。 大地构造学主要研究地壳构造的发生、发展规律和地壳运动的原因。 地质力学运用力学的观点研究地壳构造体系和地完运动规律（李四光）。 地史学（historical geology），地层学（stratigraphy），古生物学（paleontology）等研究地球形成历史、演变规律性。 古生物学研究古动物和古植物的分类、鉴定及其发展演化的规律。 地史学研究地壳的发展历史及其演变规律。 矿床学（mineral deposit geology），石油天然气地质学（petroleum geology），煤田地质学（coal geology），水文地质学（hydrogeology），工程地质学（engineering geology）、找矿勘探地质学（exploration geology）等研究各种矿产形成分布规律及对其调查勘探的理论和方法。 矿床学主要研究矿床的分类、分布及其产生的规律。 石油天然气地质学研究油气的形成、分布规律等。 地震地质学（seismics），环境地质学（environmental geology）及旅游地质学等研究防范灾害，保护环境及利用环境方面内容的学科。 新型学科：地球物理学（physical geology）地质学与物理学结合； 地球化学（geochemistry）地质学与化学结合； 地质力学（geomechanics）地质学与力学结合； 数学地质（mathematic geology）地质学与数学结合； 遥感地质（remote sensing geology）应用遥感手段； 同位素地质学（isotopic geology）应用同位素手段； 深部地质学利用深钻技术 海洋地质学（submarine geology）利用海洋物探技术 区域地质（areal geology） 野外地质学（field geology） 冰川地质学（glacial geology） 农业地质学（agricultural geology） 军事地质学（military geology） 经济地质(学)（economic geology） 实验地质学（experimental geology） 环境地质学 工程地质学F 需要说明的是：上述学科是相互交叉、相互联系的。因此，地质学属于大学科。F 地质学是天、地、生、数、理、化等几类重大基础学科之一，是自然发展和人类生活所不可缺少的一个重要领域，是一门具有广阔前景的自然科学。0.3 地质学的特点及研究方法地球是一个庞大而复杂的星体，在地质学的研究方法上应考虑到研究对象的地域差异巨大，经历时间悠长，地质过程复杂的特点。地质学的特点l 地质事件的空间性& 从空间上来讲，地质事件包括地质作用及其产物或地质现象，既有宏观的，也有微观的。也就是说，地质事件可能具有全球性或区域性，不同区域（气候、地形、陆海等区域）和不同部位（地表、地下）有着不同的地质事件。F 全球性的：如气候的变化、海面升降。F 区域性的：如地震、河流的冲刷、河水的泛滥、火山爆发。F 但就空间上涉及的范围来说，大多数地质事件涉及的范围较大。但大规模的地质事件，又常常会由彼此联系相对微观的变化中表现出来& 在认识它们的特征时，就必须既从宏观上又从微观上去把握，从而得出比较正确的结论。这就是空间观念。l 地质事件的时间性（沧海桑田）& 地质现象的产生和延续：F 长期的、缓慢的、人类能直接感知的：可延续数百万年、数千万年乃至数亿年。地壳构造运动等导致的海陆变迁，使地表升起一条山脉，需要几百万年甚至几千万年；F 短暂的、急速的、很难被人感知的：可能只经历数年、数月、甚至更短，短至几秒。火山爆发和地震的发生每次不过几天、几小时，几分或几秒。想想唐山大地震和今年发生在印度的地震吧。& 地质学研究的对象中多是延续时间很长的。F 地壳形成至今已有46亿年的历史。地质学以百万年作为时间单位F 人类有文化以来的历史不过四五千年，只有地球历史的百万分之一。历史学以“年”作为时间单位。& 地质事件还具有阶段性和周期性。F 构造运动在塑造地壳岩层各种变形的过程中有剧烈期和缓慢期交替发展的规律，呈螺旋式演进，每一旋回历史长者12亿年，短者几百万年。& 因此，在研究地质事件时要树立时间观念。l 地质过程的复杂性& 就成因来讲，地质事件或地质现象有：机械的（物理的）、化学的和生物作用的& 地质矿产（地质事件或地质作用的产物之一）的形成过程，很多都具有多种成因性质，由多种成因综合作用形成，表现出成因上的复杂性特征。如石油、煤的形成。F 有机质埋藏（机械作用）转化（化学作用、生物作用）运移聚集& 在对一个地质现象的产生、演变和发展的研究过程中，除了从其几何形态和空间位置上去尺度（长、宽、高）外，还应考虑到它在不同时期或不同阶段的变化和发展趋势，也就是说，要完成地认识一个地质事件或现象必须加上一个时间尺度。这就是地质事件或现象的四度空间特征或四维特征。地质学的研究方法地质学和其它自然科学一样，主要是应用观察、综合分析和实验的方法，但也有其特殊性。l 地质调查、收集资料& 研究的第一步。研究地质学的一项基础工作。观察要系统、全面地进行，既有地面的，也要有地下的，尽可能获取真实、准确的资料；同时要认真收集和借鉴前人的工作成果，以期在此基础上深化研究，取得新成果，而不致重复前人的工作。l 归纳分析、综合资料& 研究的第二步。充分利用各种实验技术手段，检验和深入野外观察所得的认识，先解决一些容易解决的问题；对需要验证的问题，在作出初步判断之后，有时需依仿地质条件进行模拟实验，在一定程度上再现地质作用过程，取得数据资料，这有助于对地质现象和地质作用的深入了解。地质作用过程漫长而复杂，模拟实验也难以满足复杂多变，历时漫长的自然条件，因此，在地质学的研究方法中“将今论古”的历史比较法得到了广泛应用。& 采用模拟实验的方法所得结果往往与实际资料不能完全一致，需要随时加以修正和补充。正因如此，只要模拟实验与实际资料基本吻合就算是满意的了。如生油模拟实验。l 推论、提出假说& 它是在归纳分析、综合资料研究，并结合模拟实验结果的基础上进行的一种反演推理。这种假说再经过实践验证，不断修正，直到最后升华为规律。l “将今论古”法& 什么是将今论古？F 就是以观察研究现代的各种地质作用过程和结果，来推断我们所见到的过去地质结果的形成原因。F 也就是说根据现代的地质作用，推断过去的地质作用；利用现在的己知，推断过去的未知，以现在分析过去，恢复地质历史，例如，螺蚌是生于水中的，在组成高山的地层里找到了螺蚌化石，就可以判定这高山所在过去曾经是海洋或者河湖，并可得出结论，地球各处的山脉并不是开天辟地以来就存在的，而是地壳历史发展的产物。通过煤的存在推断其所在地区经历过什么环境。& 为什么要用将今论古方法？F 人类历史自有文字记载以来的许多事实和现代观察到的地震、火山、山崩、地滑等地质现象，证明：地球在不断运动和变化。我们把由自然力所引起的地球运动和地球的物质组成、内部结构、构造及地表形态变化、发展的作用称为地质作用。当前，地质学主要是研究岩石圈的地质作用。F 地质学所研究的矿物、岩石和各种地质现象，大都是几十万年，甚至几十亿年以前地质作用的产物，其漫长的地质作用过程人们不能亲眼见到，只能见到其结果。& 如何使用将今论古方法？F 辨正地使用。历史比较法不意味着现在是过去的机械重复，作简单类比，而应考虑各方面资料进行综合分析。例如，现代的海百合生活于深海中，但在地质历史中却与典型的浅海生物造礁珊瑚生活在一起。0.4地质学基础课的任务和内容& 地质学基础是石油工程专业必修的专业基础课，其任务是为后续课(石油地质，测井解释，油层物理)及专业课l钻井工程，采油工程，油藏工程)奠定地质学的基本理论，基本知识，基本技能的基础这是学好后续课及专业课的前提，也是今后工作的需要。& 根据石油工程专业教学计划的要求，地质学基础课程内容包括：地球概述，地质作用，矿物、岩浆岩与变质岩，沉积岩，沉积相，地层，地质构造等七个部分。& 要求：F 掌握地壳的基本结构和组成, 成层岩层的层序, 地层划分及地质年代;F 明确矿物的基本概念和性质；认识常见的造岩矿物；掌握沉积岩基本特征、 分类和命名；认识三大类沉积岩的常见岩石类型；掌握沉积环境和相及其基本类型；掌握与油气生成密切相关的沉积相及储集砂体基本特征；F 掌握褶皱、断层、裂缝构造的基本概念、分类和特征；在地质图（特别是横剖面图上、构造等值线图）上分析、认识断层和褶皱。& 关键是与石油工程研究对象密切相关的成层岩层地层、沉积岩、构造方面的知识。0.5教材、参考书及其它& 教 材：石玉章，杨文杰，钱峥, 地质学基础, 石油大学出版社, .& 参考书：F 李亚林, 地质学基础, 地质出版社, F 张家环，普通地质学，1986年3月第1版F 徐子牛，地质学基础，石油工业出版社，1997F 北京大学地质学教学参考丛书，普通地质学，（俄）雅库绍娃 哈茵 斯拉温，1995年10月第1版& 课程安排，考试，实验0.6 提要与思考M 什么是地质学？地质学的研究对象和任务是什么？M 地质学的研究方法主要有哪些？试举例说明将今论古的推理方法。M 地质学基础课程的任务是什么？1 地球概论M 主要内容：地球形状、大小简介；地球表面特征；地球物理性质；地球的结构；M 重点：地球表面特征（特别是洋底地形）；地球内圈划分及地壳的基本特征；与地球物性有关的概念及地球温度压力和弹塑性表现。M 难点：地球物理性质及其相关概念。2900km：重力逐渐增加（物质分布不均匀造成的）；2900-地心：重力锐减，地心则为01.2.4温度探矿井温度升高、地下温泉的流出和高温岩浆的喷出等现象都说明地球内部是热的、并且蕴藏着巨大的热能。根据大陆地表以下温度的分布状况和地热来源，可分为以下三层：l 外热层(变温层)：& 是地球最外表的一个温度层，该层的热量主要来自于太阳的辐射热能，因此其温度是向下逐渐降低的。由于太阳的辐射有昼夜变化和四季变化等周期性变化，该层的温度也会随之而变化，但变化的幅度没有当地的气温变化大。温度变化的深度也随纬度、季节、植被、海陆分布等的不同而不同，但一般都不太深，最多3040m，在该深度以下，温度变化就不明显了。l 常温层（恒温层）：& 即外热层以下厚度不大的一个温度层，温度常年大致保持在当地的年平均温度。一般中纬度地区和内陆地区的常温层深度大于赤道和两极地区，内陆地区的深度大于海滨地区。l 内热层(增温层)& 常温层以下的温度层，该层不受太阳幅射的影响，其热能来自地球内部，其中主要是放射热，其次是其它形式的能量(如机械能、化学能、重力能、旋转能等)转化而来的热能。该层温度随深度的加深而逐渐有规律地增高，即每下降一定深度便增高一定温度，有两种表示方法：F 地温梯度(地热增温率)：深度每增加100m所增加的温度，用表示。F 地温级(地热增温级，地温深度)：即温度每升高1所增加的深度，用m表示。F 这两种表示数值互为倒数，如地温梯度为5，则地温级为20m。一般常用地温梯度来表示。F 不同地区的地温梯度并不相同，如亚洲地区平均为2.5(我国大庆为5，华北平原为12)，欧洲多数地区为33.5，北美地区为22.5；在火山地震区和山区可高达5.2以上。F 整个地球从地表向下到70km左右，地温梯度为2.5；往下逐渐变小，大约为0.51.2，在100km深处温度大约为1300；再向下地温梯度更小，到2900km处温度大约为28504400；地心的温度一般认为不超过5000。l 热流或热流值：& 地球内部的热能可通过各种方式(如通过温泉、岩浆活动和传导、辐射、对流等方式)流至或传到地表，我们把单位时间内通过单位面积的热量叫做热流。观测数据表明：大洋区的热流值比大陆区高，太平洋又高于大西洋和印度洋。大洋中以海岭最高，海沟最低。地热流高的地区(如温泉、火山、地震区)称为地热异常区。这些地区可利用地热来发电，也可将地热用于工农业、医疗卫生和人民生活中。作为一种廉价、无污染的能源，地热正越来越受到重视。1.2.5地球的磁性l 地磁场和地磁要素& 地磁场：地球是一个磁化的球体，所以在它的周围空间都存在着磁场，叫做地磁场。F 我国劳动人民早在2000年前就开始利用地球的磁性（倘若没有地磁场，就不会有四大发明之一的指南针了），但直到17世纪人们才证实地球的磁性来自地球本身。而且还发现地磁极和地理极是不一致的(图17)。后来，人们又发现地磁极随着时间的变化而不断地变化，如1971年磁北极位于76。N和101。W，磁南极位于76。06N和140。E；到1975年磁北极位于75。06N和100。W，磁南极位于65。48S和139。24E。F 地磁场包围着整个地球，其范围可以延伸到100000km以上地高空。远离地球，地磁场由强到弱。如果没有外界因素的影响，它将是一个对称的形态。但由于地球离太阳很近，在向太阳一面受到太阳风的压力，而把磁场作用范围压缩到了只有710个地球半径的高度内，背靠太阳一面，其磁场则可能达到数百个地球半径以外的高空，形成“磁尾”。同时，地球在自转，所以这一形态是变化的，处于动态平衡状态。& 地磁三要素：磁偏角D、磁倾角I、地磁场强度（F与方向H、Z、X）YF 磁偏角：由于地磁极和地理极不一致，地磁子午线 地磁子午线：通过地球磁场两极的每个大圆；与地理子午线 地理子午线：通过地球两极的每个大圆。的夹角叫磁偏角；指北针偏在地理子午线东边者叫东偏角，用正号“+”表示；指北针偏在地理子午线西边者叫西偏角，用负号“”表示。F 磁倾角：地磁磁力线在赤道地区是水平的，在两极地区则是直立的，除此之外的其它任何地区，地磁力线（磁针）与水平面之间都有一定的夹角，这个夹角就是磁倾角。以磁指北针为准，下倾者为正(北半球)、上仰者为负(南半球)。F 地磁场强度是一个矢量，在任何一点上的总地磁强度F，都可以分解为水平分量H和竖直分量Z；水平分量又可按地理方向分解为北向分量X和东向分量Y；加上磁偏角D和磁倾角I，共七个分量，叫做地磁要素(图l8)。l 地磁异常与磁法勘探& 正常磁场：把地磁场看成是一个均匀的磁化球体产生的磁场，这种磁场称为正常磁场；& 磁异常：如果实际观测到的地磁场(消除短期磁场变化)与正常磁场不一致，则称为磁异常。& 磁异常分类：按相对大小分正磁异常：实际磁场大于正常磁场。负磁异常：实际磁场小于正常磁场。按磁异常的范围大小分大陆磁异常区域磁异常局部磁异常F 大陆磁异常是地壳内部构造不均匀造成的，其长宽可达数千公里，如整个亚洲地区就是一个正磁异常区。F 区域磁异常是由地球表层分布较大的磁性岩层(或岩体)和区域构造等引起的；F 局部磁异常是由小范围分布的浅处磁性岩体、矿体和局部构造等因索引起的。& 磁法勘探：利用磁异常（主要是局部磁异常）来探测地下矿产和地质构造的方法叫做磁法勘探，它是重要的物探方法之一。F 在有磁铁矿、镍矿、超基性岩体的地区，常显比较强的正磁异常；而在金、铜、盐、石油、石灰岩等矿区一般显负磁异常。& 古地磁：地质历史时期的地磁场叫古地磁，对保留在岩石中的剩余磁性测定可了解地质历史时期的古地磁场状况，据此可帮助判断地壳不同部分的相对位移情况，还可据地磁场的反转周期确定岩石的形成年代。& 古地磁如何产生的：地磁场的存在，对于正在冷却凝固的熔岩或沉积的岩石都会产生磁化作用，把当时的磁场特征（要素）保存在固结的岩石中，形成古地磁。1.2.6地球的电性地球具有电性，也可以导电。如发电厂以大地作为回路，高层大气电离对地面产生感应电流，雷雨是放电现象，地球内部岩体可产生温差电流，地磁场的感应电流等。& 地球的电性：地球内部的电性主要与地内物质的磁导率和电导率有关。磁导率一般变化不大；但电导率变化较大，它与温度、岩石的类型、矿物成分、岩石中的孔隙度、孔隙水的含量及其矿化度等众多因素有关。F 如沉积岩的电导率大于结晶岩；孔隙多含水量大的岩石的电导率大于孔隙少含水量少的岩石；熔融岩石的电导率比未熔融的同类岩石的电导率大数百到数干倍。& 地电异常与电法勘探：利用大地电磁场的分布及其频率的变化，可研究地球内部高导电层的分布及其深度。但地电会发生周期性变化和受宇宙辐射的影响，F 正常地电场值：设置固定的观测站连续观测，消除外加电场后便可得到正常地电场值。F 然后将附近地区测得的值与之比较，如有偏差，便是地电异常。F 电法勘探：地电异常指示可能有某种矿体或地质构造存在；如硫化物矿体可产生自发电流，矿体下部为正电极，上部为负电极，地面电流流向矿体，在矿体附近电位下降，形成负电中心；石墨也产生负电位，而无烟煤则产生正电位。利用地电异常可探明一些矿体及其位置，这种方法叫做电法勘探，它也是重要的物探方法。1.2.7地球的弹、塑性l 地球的弹塑性表现& 地球具有塑性 取消外力后变形仍然存在而不恢复原状，同时也未破裂，这种性质称为塑性。：固体地球在一定条件下表现为塑性，F 地球自转产生的离心力使地球内部的物质向赤道移动，致使赤道半径大于两极半径而成扁球体，说明地球内部物质向赤道移动，这是塑性变形的表现；F 野外经常见