工程地质教案-secret.doc

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绪论 3

§0.1主要研究内容 3

§0.2工程地质学的作用及其发展 5

第1章矿物和岩石 6

§1.1概述 6

§1.2主要造岩矿物 7

§1.2岩浆岩（又名火成岩） 27

§1.3沉积岩 34

§1.4变质岩 43

第2章地层与地质构造 50

§2.1地壳运动及地质作用的概念 50

一、地壳运动的概念 50

二、地质作用的概念 51

§2.2岩层及岩层产状 51

一、岩层 51

二、岩层产状要素及其测定 54

三、倾斜岩层的厚度和深度 57

四、倾斜岩层的露头形态和露头宽度 57

五、地层的接触关系 58

§2.3地层概念与地质年代 60

一、绝对年龄 60

二、相对年代 60

三、相对年代的确定方法 60

四、地质年代表 61

§2.4褶皱构造 62

一、概念 62

二、褶曲要素 63

三、褶曲分类 63

四、褶皱构造的类型 64

五、褶皱构造的辨认 64

§2.5断裂构造 66

一、节理 66

二、断层 68

§2.6地质构造对工程建筑物稳定性的影响 72

一、边坡与地质构造的关系 72

二、隧道与地质构造的关系 72

三、桥基与地质构造的关系 72

一、地质图的主要类型 73

二、地质图的阅读步骤 73

第3章水的地质作用 74

§3.1概述 74

§3.2地表水的地质作用 74

一、概述 74

二、暂时流水的地质作用 74

三、经常性流水（河流）的地质作用 76

§3.2地下水的地质作用 81

一、地下水的概述及基本知识 81

二、地下水的基本类型 87

三、地下水对土木工程的影响 94

第4章岩石及特殊土的工程性质 96

§4.1岩石的工程性质 96

§4.2风化作用 102

§4.3岩石、土的工程分类 108

第5章不良地质现象及防治 124

§5.1概述 124

§5.2崩塌、落石及岩堆 124

一、崩塌 124

二、岩堆 126

§5.3滑坡 127

一、滑坡及其形态特征 127

二、滑坡的形成条件及影响因素 129

三、滑坡分类 131

四、滑坡防治 132

§5.4泥石流 133

一、泥石流的概念及其分布 133

二、泥石流形成条件 135

三、泥石流分类 137

四、泥石流地区道路位置选择 137

五、泥石流的防治措施 138

§5.5岩溶 139

一、岩溶及其形态特征 139

二、岩溶的形成条件及发育规律 140

三、岩溶地区工程地质问题 141

四、岩溶的防治措施 142

§5.6地震 143

一、地震概述 143

二、地震震级与地震烈度 144

三、地震对建筑物的影响 145

§5.7潜蚀与流砂 147

一、潜蚀的概念和研究意义 147

二、潜蚀的产生原因及其工程地质研究 148

三、潜蚀的防治措施 149

四、流砂及其防治措施 149

第6章地下工程地质问题 152

§6.1概述 152

§6.2岩体、岩体结构及地应力的概念 152

§6.3洞室围岩的变形及其破坏的基本类型 156

§6.4围岩分级及其应用 159

§6.5围岩稳定性分析方法 161

第7章地基工程地质问题 165

§7.1岩质地基的工程地质问题 165

§7.2土质地基的工程地质问题 184

第8章边坡工程地质问题 189

§8.1岩质边坡的工程地质问题 189

§8.2岩质边坡的稳定性验算 198

第9章工程地质勘察 205

§9.1工程地质勘察任务及阶段划分 205

一、工程地质勘察的目的与任务 205

二、工程地质勘察的主要方法和手段 205

三、工程地质勘察的阶段划分及内容要求 206

§9.2工程地质调查测绘 207

一、工程地质测绘的目的与任务（作用） 207

二、工程地质调查测绘内容P208~211 207

三、工程地质调查测绘方法 208

一、简易勘探 210

二、钻探 210

三、物探 210

§9.4航空工程地质勘察及遥感技术的应用 211

一、航空工程地质勘察 211

二、遥感技术的应用 212

§9.5岩土物理力学测试及长期观测 213

一、测试 213

二、长期观测 214

§9.6文件编制 215

一、工程地质说明书 215

二、工程地质图件 215

绪论

§0.1主要研究内容

工程地质学（engineering geology）的基本概念：

是介于地学与工程学之间的一门边缘交叉学科。

它研究土木工程中的地质问题，也就是研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正确地使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质问题。

工程地质学是为了解决地质条件与人类工程活动之间矛盾的一门实用性很强的学科。

工程地质条件：

由于地质因素对工程建筑的利用和改造有影响，因而把这些地质因素综合称为工程地质条件，建筑场地及其邻近地区的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、自然地质作用与现象等都是工程地质条件所包含的因素。

工程地质条件与工程建设之间的矛盾问题：

1.地质环境对工程活动的制约作用。

即地质条件以一定的作用方式影响工程建设。

如：

地震、软土地基、岩溶洞穴、滑坡、崩塌……

2.人类的工程活动又反作用于地质环境。

如：

大量抽取地下水引起地面沉降、海水入侵； 水库修建诱发地震；人工开挖引起边坡破坏。

工程地质学是地质学的一个分支学科，应用地质学的理论和方法，调查研究和解决工程建设有关的地质问题的科学。

研究目的是查明建设地区或建筑场地的工程地质条件，预测和评价可能发生的工程地质问题及对建筑物或地质环境的影响，提出防治措施，以保证工程建设的正常进行。

工程地质问题解决的途径和方法：

工程地质工作的三大支柱：

（1）构造地质与岩体结构

（2）工程地质力学（3）地质技术。

工程地质学的主要研究方法：

（1）地质学方法

（2）实验和测试方法（3）计算方法（4）模拟方法。

工程地质学的研究内容

1、岩土体的分布规律及其工程地质性质研究

2、不良地质作用（地质灾害）及其防治研究

3、工程地质勘察技术研究

4、区域工程地质研究

§0.2工程地质学的作用及其发展

第一阶段：

第二次世界大战到60年代

第二阶段：

到60年代末

第三阶段：

80年代以来

1.大力开展地质工程研究

2.加强地质预报研究

3.加强地质体的改造

4.加强环境地质工作

第1章矿物和岩石

§1.1概述

地壳（Crust）

地球是一个实心的椭球体，两极稍扁平，赤道部分略向外突出，极半径（Polarradius）约为6365km，赤道半径（Eguatorialradius）约为6378km，平均半径（Averageradius）约为6371km。

由于目前勘探手段的限制，我们只能通过地震波来研究地球内部的一些情况。

根据地震波在地球内部各部位传播速度的变化，一般将地球内部分为三个基本圈层。

地壳是地球表面很薄的一层硬壳，它的厚度从5公里到40公里不等。

一般认为平均厚度为33km，人类工程活动都是在地壳表层进行的，一般都不超过1km。

地壳与其下部分的交界面称为莫霍面（Moho）。

地幔（Mantle）

地壳向下是地幔部分，其厚度约为2885km。

其与以下部分也存在一个不连续面，叫古登堡面（GutenbergDiscontinuily）。

地核（Core）

地幔以下的部分称之为地核。

图1-1地球的内部圈层

§1.2主要造岩矿物

矿物:

是天然生成的，具有一定物理性质和一定化学成分的物质。

目前在自然界中已被发现的矿物多达3000余种。

主要造岩矿物:

在岩石中经常见到并明显影响岩石性质，对鉴定和区别岩石种类起重要作用的矿物（约20种）。

一、矿物的形态及主要物理性质

（一）形态

通常，绝大多数矿物呈固态表现，只有个别矿物呈液态（如自然汞Hg）。

不同的矿物常具有不同的形态和特征；同一种矿物在不同的地质条件下，在其自身晶体结构制约的范围内，又常出现不同的结晶习性。

矿物的形态，包括矿物单体、集合体及连生体的形态，我们主要介绍单体和集合体形态。

1．单体形态

矿物单体的形态主要从矿物单体的结晶习性来认识。

在相同的生长条件下，一定成分的同种矿物，总是有着它自己特定的结晶形态。

矿物晶体的这种性质，就叫做该矿物的结晶习性。

矿物晶体之所以具有结晶习性，主要是由它的结构和形成条件来决定的。

由于矿物在形成过程中，所处的物理、化学条件变化幅度大，再加上相邻各晶体对空间的相互争夺，所以很难成为理想的结晶形态。

固体矿物又可分为结晶质矿物和非结晶质矿物两大类。

（1）结晶质矿物

矿物内部质点呈有规律的周期性排列，形成空间结晶格子构造。

而矿物本身形成基本固定的规则形态。

（2）非晶质矿物

矿物内部质点的排列没有规律性，因而不具有规则的几何外形。

非晶质矿物又可分为：

①玻璃质矿物

由高温熔融状物质迅速冷却而成。

如火山玻璃。

②胶体质矿物

由分散相和分散媒组成的不均匀分散系中胶体颗粒凝聚而成。

如蛋白石。

（3）结晶质矿物的单晶形态

由于矿物在生长发育过程中，在生长速度、空间方向、生长条件的不同，其形态也不相同。

①片状、鳞片状，如云母、绿泥石等。

白云母可用作绝缘材料；黑云母可用作高温防护眼镜的镜片。

白云母

绿泥石

②板状，如斜长石、板状石膏等；

斜长石

板状石膏

③柱状，如角闪石、绿柱石、辉石等；

角闪石绿柱石

辉石

④立方体状，如岩盐、方铅矿、黄铁矿等；

岩盐

黄铁矿

⑤菱面体状，如方解石、白云石等；

方解石

白云石

⑥菱形十二面体状，如石榴子石、磁铁矿等。

石榴子石

磁铁矿

（4）矿物的集合体形态

自然界的矿物大多是以集合体的形式出现的，在研究矿物集合体形态时，对于晶体矿物来说，仍然以矿物的单体形态做基础；而对于胶体矿物来说，则以其特有的外貌为依据。

①显晶集合体

粒状；片状或鳞片状；柱状；针状；纤维状；枚射状。

②隐晶及胶态集合体

鲕状；豆状；结核状；肾状；葡萄状；钟乳状。

此外，还有块状、土状。

（二）矿物的主要物理性质

1．光学性质

（1）颜色

颜色是矿物明显的特性，通常也是可靠的鉴别特征，在多种标本中有些矿物总是表现出同一颜色。

当一种矿物显示出多种颜色时，我们把这种现象称为具有异常色彩。

矿物中颜色的变化通常是由于矿物中掺杂了对矿物基本特征成分没有影响的少量的化学杂质造成的。

当纯净矿物为浅色或无色时，颜色变种现象比较普遍。

例如：

石英矿物，纯净时无色，然而石英也确实存在着其它颜色，如粉色、金黄色、烟棕色、紫色和常见的乳白色。

很明显，石英并不能总是依据它自身的颜色来鉴别。

石英

需要注意的是这里的颜色是指矿物新鲜面的颜色。

根据矿物颜色产生的原因，可分为自色、他色和假色三种。

①自色：

矿物自身所固有的颜色。

自色产生的原因，主要与矿物成分中某些色素离子的存在有关。

如Fe3+使赤铁矿呈樱红色；Fe2+使普通角闪石、绿泥石呈暗绿色等。

赤铁矿

普通角闪石

绿泥石

②他色：

矿物因含外来带色杂质（一般也与色素离子有关）而引起的颜色。

如石英常由于带色的混入物而使之呈紫色、玫瑰色、烟灰色和黑色等。

③假色：

由某些物理化学因素引起的呈色现象，如黄铁矿表面因氧化薄膜引起的锖色（兰紫混杂的斑驳色彩）。

（2）条痕

条痕是指矿物粉末的颜色。

一般是矿物在其它物体上摩擦后，留在此物体上的矿物粉末颜色。

虽然一种矿物的颜色在不同的标本中多种多样，但条痕却不是，它只有一种颜色。

因而成为更可靠的鉴别特征。

条痕还可以帮助把金属光泽的矿物与非金属光泽的矿物区分开。

金属矿物一般具有浓而暗的条痕，而非金属矿物并没有这一特征。

大多数浅色矿物的条痕是无色或浅色的，某些深色矿物的条痕与颜色相同，这些矿物的条痕对鉴别矿物无用。

只有矿物的条痕与其颜色不同的某些深色矿物才是有用的鉴别矿物的特征。

例如：

角闪石这黑绿色，条痕为淡绿色；辉石为黑色，条痕为浅绿色；黄铁矿为铜黄色，条痕为黑色等。

（3）光泽

矿物表面对光的反射能力称光泽。

可根据反射光由强到弱次序为：

金属光泽、半金属光泽、非金属光泽。

其中非金属光泽又可分为：

金刚光泽、玻璃光泽、油脂光泽、珍珠光泽、丝绢光泽、土状光泽。

（4）透明度

矿物透光能力的大小，称为矿物的透明度。

分为三级：

透明、半透明、不透明。

例如：

纯净的石英单晶体和纯净方解石组成的冰洲石（双折射现象）为透明矿物；多数造岩矿物为半透明矿物，如一般石英集合体、滑石等；金属矿物则为不透明矿物，如黄铁矿、方铅矿、磁铁矿等。

冰洲石

2．力学性质

（1）硬度

矿物的硬度是指矿物抵抗外力刻划的能力。

测定硬度的绝对值需要特殊装置。

一般应用相对硬度。

以实际矿物为标准，这就是摩氏硬度计。

摩氏硬度计中共有十种已知硬度的矿物，它们是：

1°滑石；2°石膏；3°方解石；4°萤石；5°磷灰石；

6°长石；7°石英；8°黄玉；9°刚玉；10°金刚石。

滑石石膏

方解石单晶

萤石

磷灰石

正长石石英

黄玉

刚玉金刚石

低碳钢小刀硬度5.25～5.50°

指甲硬度2.0～2.5°

玻璃片硬度5.50～6.50°

（2）解理（劈开）

矿物晶体受外力敲击时，能够沿一定方向裂开的性能称为矿物的解理性，开裂的平面称为解理面。

根据矿物产生解理性能强弱程度的不同，一般将解理分为：

①极完全解理

晶体可裂成薄片，解理面大而平整、光滑，这种矿物不出现断口，如云母；

②完全解理

晶体常沿解理面裂成小块，解理面平整但不大，这种矿物不易出现断口，如方铅矿；

③中等解理

晶体上既有解理又有断口，解理面小而不光滑，如角闪石；

④不完全解理

晶体上常见断口，偶见解理，如橄榄石。

解理是沿矿物软弱结合面裂开的趋向性。

具有解理的矿物是由矿物裂开时产生平滑的面来认定的。

最简单的解理实例莫过于云母。

由于云母在一个方向上具有极完全解理，它们可裂成平滑而薄的薄片。

有些矿物具有几个解理面，有些矿物表现为缺乏解理，而另一些矿物完全没有解理。

当矿物裂开的方向超过一个时，可用解理面的数量和解理面之间的夹角来描述。

解理不要与晶形混淆。

一种矿物表现出解理时，可以裂成与其原样一致的碎块（片）。

作为对比，无解理的石英，在其裂开时，不可能裂成与原晶体一样的形状。

（3）断口

完全不具有解理性的矿物，在锤击后沿任意方向发生不规则断裂，其断裂面称为断口。

根据断口形态可分为：

①贝壳状断口，如石英；

②参差状断口；

③平坦状断口；

④锯齿状断口；

⑤土状断口。

有些矿物如石英如上所述不表现解理性，且在开裂时常出现断口。

那些裂成平滑而弯曲的面，类似于碎玻璃具有的贝壳状断口；另一些矿物裂成尖片状纤维，但大多数矿物的断口则是不规则的。

二、主要造岩矿物及其鉴定特征

参见教材P8。

1．石英；

2．正长石；

3．斜长石；

4．白云母；

5．黑云母；

6．普通角闪石；

7．普通辉石；

8．橄榄石；

9．石榴子石；

10．方解石；

11．白云石；

12．滑石；

13．蛇纹石；

14．绿泥石；

15．硬石膏；

16．石膏；

17．黄铁矿；

18．高岭石；

Al4[Si4O10]·（OH）8，纯净者为白色，单斜或三斜晶系。

一般呈土状块体产出，硬度近于1，断口平坦，比重为2.6左右，干燥时粘舌，用手易搓成粉末，潮湿时具有可塑性。

19．蒙脱石；（又称微晶高岭石或胶岭石）

（Na,Ca）0.33（Al,Mg）2[Si4O10]（OH）2·nH2O，单斜晶系，水的含量变化大，通常呈土状块体产出，白色，有时带浅红、浅绿色。

光泽暗淡，硬度1，比重2，吸水性强。

吸水后其体积能膨胀增大几倍到十几倍。

20．伊利石。

K<1Al2[（Al,Si）Si3O10]（OH）2·nH2O，单斜晶系，常呈鳞片状块体产出，白色。

水的含量变化大，并具有膨胀性和可塑性，有滑腻感。

§1.2岩浆岩（又名火成岩）

岩石:

用通俗的话来讲，就是石头。

它是在地壳中按一定规律，由一种或几种矿物共生组合在一起所形成的天然集合体。

根据岩石的成因类型，地质学家对岩石进行了分类，包括以下几种：

1．岩浆岩（火成岩）

被称为岩浆的炽热液体，自地下深处上升，由于温度降低，结晶而成的固体状态。

2．沉积岩

由堆积和压密作用的结果而成。

物质来源：

（1）由于侵蚀作用，原岩被分解成的碎屑；

（2）生物碎屑，如贝壳；

（3）被地表水或地下水溶解的物质，后期在过饱和条件下沉淀。

3．变质岩

当温度上升或压力增大，或二者兼有时，由任何类型的原岩形成。

一、岩浆岩的形成过程

（一）岩浆和岩浆作用

1.岩浆

地壳下面存在着的处于高温高压下的，熔融状态的硅酸盐物质被称为岩浆。

2.岩浆岩

岩浆沿着地壳薄弱带侵入地表或喷出地表，随着温度降低，最终冷凝而成的岩石。

3.岩浆作用

包括岩浆活动和冷凝的全部过程。

（1）如果岩浆上升，但没有到达地表，而在地壳中逐渐冷凝，这个过程称为岩浆的侵入作用；

（2）如果岩浆上升，沿构造裂隙溢出地表或通过火山口喷出地表而冷凝，这个过程称为岩浆的喷出作用，也称火山作用。

（二）岩浆及其产状

1.岩浆岩的类型

（1）侵入岩

由岩浆的侵入作用形成的岩石。

根据凝结部位距地表的深浅，侵入岩又可分为：

①深成岩（＞3km）

由深处岩浆冷凝而成，其成岩深度可能会向下延伸至许多公里，冷凝之后在侵蚀作用下经过一定地质时期后，深成岩可能会出露于地表。

源于如此大的物体热能的消散是非常缓慢的，因此结晶作用也将是缓慢进行的，而冷凝的岩石一般具有粗粒结构。

②浅成岩（＜3km）

一般由被称为岩脉和岩床构成。

前者被称为不整合，是因为它们超越了母岩地层；后者被称为整合或假整合，是因为它们沿着层位侵入。

尽管浅成岩的冷凝过程比深成岩迅速，但它们的矿物晶体仍较大，一般具有中粒结构。

（2）喷出岩

由岩浆的喷出作用形成的岩石。

根据喷出的表现形式也可分为：

①喷出岩（火山岩）

由火山喷发的熔岩流冷凝而成。

喷出岩的冷凝比侵入岩更迅速。

一般为细粒结构、微晶结构或隐晶结构。

②火山碎屑岩

由火山喷发的碎屑，后经熔岩粘合而成。

2.岩浆岩的产状

岩浆岩的产状是指岩浆冷凝后岩体的形态、岩体所占据的空间量以及它与围岩的相互关系。

尽管自然界中火山喷发是猛烈而壮观的事件之一，但据深入研究后不难发现，大部分岩浆仅仅上升到地下某一深度就冷凝了。

作为地一深处的岩浆岩物质所表现出的构造形式，我们称之为侵入体。

由于侵入体一般位于地下，我们是无法直接看到的，只能当侵入体隆起或遭受侵蚀后，我们才能看到并研究它们，要看到建造这些构造的全过程则需要回到几百万年甚至几亿年以前。

切记，这些不同的作用或结果可同时产生，并且可包含基本相同的地球物质。

岩浆岩体产状示意图

参见教材P11图1-7

（1）侵入岩的产状

①岩基，是规模最大的侵入体。

如海南岛琼中花岗岩体为一巨大岩基，出露面积达5000km2；

②岩株，北京周口店花岗闪长岩体的产状为岩株，平面近圆形，出露面积约56km2；

③岩盘，如山东济南辉长岩体，底部平坦，顶部拱起，中间厚度大边缘薄；

④岩床，板状侵入体，以厚度稳定为特征。

⑤岩墙和岩脉。

（2）喷出岩的产状

①火山颈；

②岩钟（火山锥），黑龙江五大莲池的火山群，山西大同的火山群；

③岩流（岩被）。

二、岩浆岩的地质特性

包括岩石的结构、构造及矿物成分，它们都是由岩石形成过程所决定的，又是鉴定岩石的特征。

岩石的结构——指岩石中矿物的结晶程度、晶（颗）粒大小、晶（颗）粒形态及晶（颗）粒之间的相互关系。

岩石的构造——指岩石中矿物在空间的排列与充填方式所反映出来的岩石外貌特征。

（一）岩浆岩的结构

岩浆岩的结构是划分类型和鉴定岩浆岩的主要依据之一。

影响岩浆岩结构的因素主要有化学成分，凝结过程中的物理化学状态等。

1.按结晶程度可将岩浆岩结构分为：

（1）全晶质结构：

岩石全部由结晶质矿物组成。

（2）玻璃质结构：

岩石全部由非晶质或玻璃质矿物组成。

（3）半晶质结构：

结晶质、非晶质矿物各半组成的岩石。

2.按矿物颗粒绝对大小，可分为：

（1）显晶质结构：

矿物颗粒在肉眼下可以分辨。

①粗粒结构，粒径＞5mm；

②中粒结构，粒径2～5mm；

③细粒结构，粒径0.2～2mm；

④微粒结构，粒径＜0.2mm。

若粒径＞10mm，又称为伟晶结构。

（2）隐晶质结构：

颗粒非常细小，肉眼下不可分辨，可以在显微镜下看到矿物晶粒，常有瓷状断面。

3.按矿物颗粒的相对大小，可分为：

（1）等粒结构

（2）不等粒结构

（3）斑状及似斑状结构

若岩石中两类矿物晶粒大小悬殊，则大的晶粒矿物称这斑晶，小的称为基质。

如果基质为隐晶质或玻璃质时，则岩石的结构称为斑状；如果基质为显晶质时，则称为似斑状。

（二）岩浆岩的构造

岩浆岩的构造可以分为：

1.块状构造：

致密的粒状构造，矿物在整个岩石中分布是均匀的，其排列无一定次序，无一定方向，它是岩浆岩中最常见的一种构造。

2.流纹状构造：

由不同颜色的条纹和拉长的气孔等表现出来的一种流动构造，如流纹岩，是酸性熔岩中最常见的构造。

3.气孔状构造：

喷出于地表的岩浆，冷凝时其中所含的气体逸出，形成许多气孔，是喷出岩所具有的构造。

4.杏仁状构造：

喷出岩的气孔被某些矿物填充，如方解石，象杏仁一样，故称杏仁状构造。

5.层状构造。

（三）岩浆岩的矿物成分

最常见的是石英、正长石、斜长石、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等几种矿物。

三、岩浆岩分类及常见岩浆岩的鉴定特征

（一）岩浆岩分类

根据岩浆岩的产状、结构、构造、矿物成分及其共生规律等特征进行分类。

见教材P14，表1-3。

（二）常见岩浆岩的鉴定特征

1.花岗岩；

2.闪长岩；

3.辉长岩；

4.橄榄岩；

5.正长岩；

6.花岗斑岩；

7.闪长玢岩；

8.辉绿岩；

9.流纹岩；

10.安山岩；

11.玄武岩；

12.伟晶岩；

13.黑曜岩；

14.浮岩。

§1.3沉积岩

一、概念

（一）沉积物

指一种沉积在陆地或水盆地中的松散矿物颗粒或有机物质，如砾石、砂、粘土、灰泥、生物残骸等。

主要来源是母岩风化的产物，其次是火山喷发物、有机物和宇宙物质等。

（二）沉积作用

指形成及堆积层状沉积物的作用，包括沉积物物质供给区的母岩的离解，已离解出来的颗粒（有时包括火山物质等）及搬运一箭双雕沉积场所发生的化学变化及其它成岩变化，以及沉积物最终固结为坚硬的岩石的作用。

（三）沉积岩

是指在地表及地表附近、温度不高（－70～200℃）