❶ 岩石学及其研究意义
岩石学（petrology，来自希腊文petra—岩石，和logos—论述和解释）作为研究岩石的学科，在地球科学中占有重要地位。岩石学主要研究岩石的产出方式、组成特征、分类命名、岩石成因、形成环境和资源背景，包括岩相学（petrography，lithology）和岩理学（petrogenesis）两方面。传统上，岩相学主要是在野外地质调查的基础上，在显微镜下对岩石进行系统描述和分类命名，属于描述岩石学范畴。随着科学技术的进步，岩相学的研究已经拓展到将显微镜观察与现代分析测试技术相结合，全面研究岩石的矿物组成、化学成分和物理性质（光性矿物学、岩石化学、矿物化学、岩石物理、矿物物理等）。岩理学又称为成因岩石学，主要研究岩石的成因和形成过程：就是在深入的岩相学研究基础上，结合实验研究和理论分析，通过比较、归纳、演绎深入认识岩石的形成过程，理解地球上发现的（以及来自其他星球的）各种各样岩石的多样性的起因，分析人类难以直接观察的地球内部岩石物质的性质，进而为探讨地球和行星系统动力学过程提供知识储备和理论支撑。岩相学是岩理学的基础，也是地质类大学生首先要掌握的内容，因此，本书将把讨论的重点放在岩相学部分。岩理学是岩相学的深化，也是现代地球科学理论的基石。正如Philpotts ＆ Ague（2009）在 《火成岩和变质岩岩石学原理》 一书中指出的，自然界提供的有关岩石形成事件和过程的证据是零碎的，这就要求岩石学家把这些零碎的证据组合起来，才能构成一个连贯的故事。
由于岩石是地质历史时期发生的地质事件的产物，是地球和行星历史的实物 “档案”。因此，对岩石的特征、时空分布规律、形成时的物理化学环境和岩石成因过程的研究，可以为解决有关地球乃至太阳系形成和演化历史的重大问题作出贡献。另一方面，矿石也是岩石，人类社会赖以生存的矿产资源就赋存在岩石之中，而岩石的性质对人类赖以生存的地下水、油气资源的赋存状态以及地表的地质作用、地质灾害都有重要影响。因此，对各类岩石的研究，不仅是认识地球的需要，也是实现资源的永续利用、预防和减轻地质灾害、保护人类的生存环境、促进人类社会可持续发展的需要。
岩石学在解决地质学重大科学问题方面的作用，可以从以下例子中体现出来。
◎岩石圈组成和深部过程的岩石学探针：对于大陆岩石圈组成和深部过程，人类难以直接观察，就需要结合岩石学探针技术和地球物理方法来间接进行研究。岩石学探针技术是通过对各种岩石样品的综合研究，分析岩石所处地质时期的岩石圈组成、结构和深部过程。主要的研究对象包括：(1)产于火山岩中的深源捕虏体（Pearson et al.，2003），例如，我国辽宁复县古生代金伯利岩，道县、信阳和阜新中生代火山岩，以及汉诺坝、鹤壁、山旺、女山等地新生代玄武岩中，都存在上地幔橄榄岩、下地壳麻粒岩的捕虏体（郑建平，2009）；(2)因构造运动抬升剥露到地表的高级变质地体以及中下地壳甚至上地幔剖面，例如，意大利下地壳剖面（马昌前，1998）；(3)火成岩的源区示踪和岩浆房过程分析，其中，镁铁质－超镁铁质岩石主要反映地幔组成和过程，长英质岩石主要反映地壳的组成及其内部过程，而中性岩往往是地壳分异－混合和壳幔相互作用的产物。在研究方法上，不相容元素和同位素比值反映了岩浆源区化学成分的变化；而相容元素反映了矿物稳定性的变化，可提供有关地壳和地幔深处压力、温度和流体条件的信息。地球物理资料反映的是现今岩石圈的深部结构，代表了晚近时期地质作用留下的综合信息，主要包括岩石波速测量（路凤香等，2006）、现今地表热流测量（Rudnick ＆ Gao，2003）等。例如，我国开展的深部探测技术与实验研究，利用深地震反射技术，了解地壳底部30km以上的精细的地壳结构（董树文等，2011）。地球物理模型与岩石学模型的结合，将对岩石圈结构和组成提出更全面的约束。
◎大地构造环境的岩石学分析：20世纪60年代中期建立的板块构造理论，发端于大陆漂移、海底扩张和地幔对流假说和模式。这一理论不仅解释了地震、火山、山链的分布样式，而且解释了大陆和海底的形成机制，也为地质历史时期不断变化着的地球气候及其对生物演化过程的影响提供了新解释（NRC，2008）。有些岩石类型和岩石组合，只有在特定的大地构造环境中才能出现（莫宣学等，2009），因此，结合其他的地质标志，就能从岩石学上分析有关岩石产出的古构造环境。例如，钙碱性岩浆岩常常出现在与大洋板块俯冲有关的岛弧和陆弧环境中，而碱性岩或双峰式岩浆岩则代表了与地壳伸展有关的构造环境。在沉积岩中，碳酸盐岩和石英砂岩通常形成于稳定的构造环境内，而长石砂岩、杂砂岩则形成于构造活动强烈的地区；在克拉通内部形成的碎屑沉积岩富含石英和长石，而在活动大陆边缘则多形成富含岩屑和长石的碎屑沉积岩。又如，麻粒岩是大陆下地壳的代表性岩石，而蓝片岩、榴辉岩等高压－超高压变质岩则是板块俯冲－碰撞环境的产物。
◎盆－山关系的岩石学印迹：地质学上最初争论最大的问题就来自对沉积岩的观察。英国地质学家、火成学派的创始人詹姆斯·郝顿（James Hutton，1726～1797年）就曾根据沉积地层的厚度、沉积岩的各种特征以及沉积岩中化石的存在，推测过地球的年龄（Hutton，1788）。今天，对盆地中沉积岩的观察仍然是认识造山带的演化过程和盆－山关系的切入点。盆地和山岭是陆地表面的两个基本构造单元，它们在时间和空间上相互依存，在物质和能量上相互交换，二者具有密切的耦合关系。在碰撞造山带，构造活动直接控制盆地的发育和演化过程。一个典型的实例是印度板块与欧亚板块在始新世的碰撞，造成了青藏高原的隆升和周缘盆地的形成（许志琴等，2007）。山岭的隆升和剥蚀产生了大量的碎屑沉积物，这些沉积物分布于印度板块及其边缘海盆地中，如孟加拉扇新生代以来沉积物的总体积就达到了12×106km3，为解决与青藏高原形成演化相关的科学问题打开了一扇窗口。例如，关于印度板块和欧亚板块的碰撞是何时发生的问题，在巴基斯坦西北部Waziristan地区的古近系－新近系地层中就记录了这次事件造成的不整合接触，从而可以将碰撞时间限定在66～55Ma之间（Beck et al.，1995）。研究表明，在俯冲带或垮塌的造山带，大规模岩浆活动产生的热和力学效应可导致上覆岩石快速的抬升和剥蚀，表现为岩浆侵入与粗碎屑岩堆积近于同时，新形成的岩浆岩直接作为弧前盆地的沉积物源（Kimbrough et al.，2001）。这一系列过程可以发生在短短的几百万年之间，其信息被记录在造山带和相关盆地的各类岩石中。
◎矿产资源的岩石学专属性：人类可资利用的矿产资源大都取自地壳浅部的三大类岩石中。深入研究岩石的特征和形成过程，对于了解有用物质的迁移和聚集机制，指导找矿勘探有重大的价值。例如，岩浆岩蕴藏了大量的金属和非金属矿产，其中，金刚石主要产于金伯利岩和部分钾镁煌斑岩中，Cr、Ni矿与镁铁质－超镁铁质岩石有关，Mo、W、Sn矿常与某些花岗岩有关，一些超大型的斑岩铜矿产于与大洋板块俯冲有关的中酸性浅成岩浆岩中，而Li和稀土矿可以在伟晶岩中寻找。目前世界上最大的铜矿是智利的丘基卡马塔（Chuquicamata）和埃尔特尼恩特（El Teniente）斑岩铜矿，铜总储量分别达6935万吨和6776万吨。值得注意的是，煤、油页岩等可燃性有机矿产以及石油、天然气等能源几乎全是沉积成因的，而赋存于沉积岩及沉积变质岩中的密西西比河谷型（MVT）及沉积喷流型（SEDEX）Pb－Zn矿床，其储量占Pb、Zn总储量的1/2，产量占Pb、Zn总产量的2/3（赵振华等，2003）。变质岩中直接产出了不少金属矿产，如Au、Ag、Cu、Zn、Pb、Fe及稀有、稀土等矿产，其中变质岩中的铁矿床占全世界铁矿总储量的80％以上。W、Sn、Mo、Sb和稀土等矿产为我国优势矿产，我国内蒙古白云鄂博碳酸岩型REE－Nd－Fe矿床是世界上最大的稀土矿床。据研究，该稀土矿受控于中元古代的古火山机构，矿床产于火成白云石碳酸岩体和部分脉状碳酸岩中（郝梓国等，2002）。
需要指出的是，石油天然气不仅赋存于沉积岩中，在多种类型的结晶岩中也有产出，尤以火山岩可作为油气藏的优质储层或盖层（Petford ＆ McCaffrey，2003）。目前，在世界范围内已发现了300多个与火山岩有关的油气藏，实际探明储量的火山岩油气藏169个，其中不乏大型油气藏，如利比亚锡尔特盆地（Sirte Basin）的拿法拉（Nafoora）油田。我国也先后在准噶尔、三塘湖、松辽、海塔、二连、渤海湾等盆地不断发现了火山岩油气田，显示了火山岩油气勘探开发的巨大潜力（贾承造等，2007）。
◎过去全球变化的岩石学线索：(1)今天形成的不同类型的沉积物的相对量与地质历史时期是完全不同的，这种差别是否意味着地球环境发生了显著的变化？例如，现今地球上形成的白云岩很少，主要出现在波斯湾及荷兰Antilles等异常的环境中，而在前寒武纪时期，形成的白云岩是石灰岩的3倍以上。与现今相比，前寒武纪时期，蒸发盐（岩）十分稀少，为什么？ 是否25亿年以来，海水成分已经发生了变化？ 是不是自前寒武纪以来，由于剥露出地表被风化的岩石成分发生了变化，因而由河流带到大洋中的物质也就出现了变化？(2)大多数进化生物学家认为，生命物质是在38亿年前在还原环境中由无生命的物质进化而来的，因为原始的细胞不能抵抗氧化作用。这就意味着，在地球早期的大气圈中，氧很少或几乎没有。然而，太古宙的铁矿含有磁铁矿，表明既有Fe2＋，也有Fe3＋，这就要求大气中有氧存在。这些铁矿中所含的氧化铁物质是一开始就有的（原生）？还是后来随大气中自由氧的增多而逐渐氧化而来的（Blatt et al.，2006）？(3)地球现今的大气圈很适于生物生存，但对早前寒武纪岩石的研究表明，在地球形成初期，大气中几乎没有氧气，而富含甲烷。大气中氧气的增多和甲烷的减少是内在因素，还是外在因素造成的？是由于地球深部活动的变化引发的，还是与地外天体的撞击有关？(4)新元古代，在全球范围内广泛沉积了一套冰成岩系，这些沉积记录表明当时地球曾经历了一次极其严重而漫长的冰期，不仅陆地全部被冰川覆盖，而且海洋也被完全冻结，称为雪球地球（Snowball Earth）。“雪球地球” 是如何形成的，又是如何消失的？这些问题的答案记录在相关的岩石中。(5)大规模的火山活动可能只延续几天，但火山喷发出的大量气体和火山灰对气候的影响可能达数年之久。例如，1991年6月15日菲律宾的Pinatubo火山喷发，据估计就有2000万吨的SO2和火山灰颗粒喷发到了20km高的大气中。含硫酸的气体会转化为硫酸盐气溶胶，那些微米级的液滴中75％是硫酸。火山喷发之后，这些气溶胶颗粒会在平流层中停留3～4年。这些火山物质减少了太阳辐射到达地球表面的量，降低了对流层的温度，于是会对大气环流产生明显影响。因此，研究地质历史时期熔结凝灰岩大爆发（ignimbrite flare－up）对全球变化和生命演化的影响，有着十分重要的意义。
◎地外岩石研究对早期地球和太阳系演化的启示：据认为，月球是在一次对地球的撞击事件中形成的，撞击会抹去地球更早的岩石记录，所产生的热量甚至会使地球成为一个熔融的星球。加上后来地球表面始终不断的板块构造运动的改造，对古老岩石的保存产生了不利的影响。目前，在地球上发现的最老的岩石大约为40亿年，大陆壳中老于36亿年的岩石只占0.0001％（Nutman，2006）。在岩石 “档案” 中，从45.3亿年撞击产生月球到地球上保存的最古老岩石（40亿～38亿年）的这段时间里，地球上保留的历史记录几乎为零。与地球上缺少最早期的岩石不同，在太阳系形成的初始阶段之后，许多陨石基本上完好地留在围绕太阳不停运行的轨道上。因此，陨石（包括后来从月球和火星上落下的一些岩石）就成了这个起始阶段的主要实物档案。需要指出的是，在澳大利亚西部30亿年老的石英岩中，找到了地球上最老的矿物——碎屑锆石。测年显示，最老的锆石年龄达到了44亿年，这些锆石的稀土元素以及氧和铪同位素的研究表明，在距今45亿～42亿年之时，地球上就有花岗质陆壳甚至有大洋存在（Harrison et al.，2005）。近年来，地球上发现的38亿年之后的记录越来越多。例如，在我国北方的鞍山地区就发现了大量36亿～38亿年的岩石和锆石，在冀东、信阳、焦作及其他地区也有始太古代－古太古代的岩石和锆石存在（刘敦一等，2007）。
❷ 岩石力学性质的试验研究
理论源于实践，并需要得到实践的检验。试验是一切科学研究的基础，岩石力学的研究也是从试验开始的，尽管古代有关的试验记录尚未发现，但数千年前埃及和希腊人在修建金字塔及寺庙时，已确实考虑到岩石的强度问题［3］。秦昭王（公元前306～前251年）时李冰父子修建的都江堰，西汉楚襄王刘注（公元前128～前116年）的墓室——徐州龟山汉墓，隋开皇大业（公元581～618年）年间李春修建的赵州桥，1230年建成的英国Wells 大教堂等，都是古代岩体工程的杰出代表，显示了古代人民对岩石力学性质的良好理解。时至今日，利用Google等搜索工具，不难在INTERNET上得到相关图片和文字介绍。当然，没有成功的古代工程也为数不少。正如文献［4］所说，All of the earlier activity was，of course，concted without the benefit of modern knowledge.In some case the projects were successful，often dramatically so；but，in other case，we know that they were unsuccessful.Many cathedrals were not so fortunate as that at Wells and collapsed ring or shortly after construction。
文艺复兴时期Da Vinci的“不同长度铁丝的强度试验”［3］，可能是目前已知最早的力学试验记录（大约公元1500年）。Galielo G在1638年报告了空心梁和实心梁的直接拉伸强度和弯曲强度，在研究弯曲强度时采用了悬臂梁端头加载的方式［5］。
有记载的第一台岩石力学试验机大约是1770年由E.-M.Gauthey制造的，其目的是设计Sainte Genevieve教堂的立柱。该试验机利用杠杆系统加载，得到了边长5cm立方体岩石的压缩强度，并注意到长柱体岩石的强度小于立方体岩石的强度。18世纪后期至19世纪初，由于桥梁（石桥和铁桥）的大量兴建，激发了试验机的设计和制造；而每一试验机的设计和制造都将当时的技术水平发挥到极限。19世纪80年代的试验机已经能够自动记录试样的载荷-位移曲线。1865年，第一个商业实验室在伦敦开业，拥有一台载荷1000000 lb的设备，压缩试验的最大试样可以达到长21.5ft，断面边长32 in。1910年，在Pittsburgh 的兵工厂（Arsenal Ground），后移至 Washington 的标准局（Bureau of Standards），安装了最大压缩载荷10000000 lb的试验机，试样的最大长度也增大到30ft［6］。
图1-1 大理岩常规三轴压缩全程曲线
曲线上数字是围压，单位MPa
在试验机载荷不断增加的同时，试验机的加载方式也在改进完善。由机械加载变为液压加载，由单向加载变为准三向加载（Pseudo-triaxial compression）。即将圆柱体岩样放置在液压腔中，利用油压对岩样进行侧向加载，在维持侧限压力（也称围压Confining pressure or ambient pressure）的同时，对岩样进行轴向压缩。Von Karman 于1911年发表的大理岩（Carvala marble）常规三轴压缩试验曲线是标志性的工作（图1-1），最高围压达到326MPa［7］。试验结果表明，对大理岩而言，脆性只是应力较低时的表现；而在较高应力状态（如地质条件）下，岩石完全可以产生很大的塑性变形而显示出延性。对某些粗晶大理岩围压达到3MPa时，即可显示延性变形特征［8］。
茂木清夫设计了对长方柱体试样进行三向不等压加载的真三轴试验机，从1967年开始发表了一系列文章［9］，论述中间主应力对岩样强度、变形、脆性和延性的作用。图1-2是典型的一组试验结果。随着中间主应力的增加，白云岩（Dunham dolomite）试样的强度有所增加，而屈服过程的塑性变形减小，岩石趋于脆性。脆性破坏消耗的能量小，而延性破坏消耗的能量大。图1-2的试验结果表明，在最小主应力一定时，增加中间主应力对维持岩石的完好并没有多大作用。无疑实际岩体处于复杂的应力状态，其破坏方式需要研究。
真三轴试验可以在三个方向利用固体承压板进行加载［10］，为了减少加载板之间的干涉和摩擦的影响，真三轴试验机后来多采用液压加载最小主应力［11］。
文献［12］介绍了高温高压三轴加载试验机的发展过程、主要特征以及相应的岩石力学试验成果。Griggs 型装置，以固体铅（Pb）或盐（NaCl）作为围压介质，利用两个活塞分别产生围压和主应力差，围压达到3GPa，温度达到1500℃，可以进行长达数月的高温蠕变试验［13，14］。立方加压（Cubic press）系统，利用6个液压缸在3个方向对立方体试样进行真三轴加载，如文献［15，16］利用2MN（200 tons）的立方加压系统对边长42mm的岩样进行试验，700℃的温度从压头传入岩样。如果将圆柱试样置入固体介质内，也可以利用立方加压系统进行高围压、高温试验。文献［17］对直径2.9mm、长8.5～9.5mm的石英试样进行围压 7GPa、温度2000℃的三轴压缩试验；文献［18］的立方加压系统，700MPa 的工作压力可以使液压缸载荷达到5 MN（500 tons），可以对直径8mm、长16mm的试样进行围压3.7GPa、主应力差4GPa、温度1000℃的三轴压缩试验，围压介质是叶蜡石（pyrophyllite）。
图1-2 中间主应力对白云岩试样强度和变形的影响
最小主应力σ3=125MPa，曲线上数字是中间主应力σ2，单位：MPa
图1-3 岩石试样单轴压缩的全程曲线［20］
1—查尔考灰色花岗岩Ⅰ；2—印第安纳石灰岩；3—田纳西大理岩；4—查尔考灰色花岗岩Ⅱ；5—玄武岩；6—佐伦霍芬石灰岩
1935年，Spaceth W提出刚性试验机的设想之后，开始了对混凝土全程曲线的研究。此后的30余年，为提高试验机刚度采取了各种措施，主要有提高试验机支架刚度、与岩样并联安装附加刚性设施、减小加载油缸长度等，最后甚至利用水银作为加载液压缸的工作介质。但直到1966年，Cook N G W才在液压-热力混合加载的刚性试验机上，得到岩石试样单轴压缩的全程曲线［19］。全程曲线的获得表明，岩石爆炸式的破坏是由试验机刚度不足引起的，岩石达到强度之后仍然可以承载。标志性的工作是，1968年Wawersik W R对该试验机作了改进，采取人工伺服控制的方法，得到了一系列岩石试样单轴压缩的全程曲线（图1-3），并指出，根据岩样单轴压缩破坏的稳定与否，可以将岩石分为Ⅰ类和Ⅱ类材料［20］。这一观点至今仍存在争论。
近代力学试验机以加载控制和数据采集的计算机处理为主要特征。试验机的刚性支架和反馈控制实现了脆性材料的可控破坏，从而对岩石达到强度极限之后的破坏过程有所认识，并研究岩石破坏过程中的承载、变形特性，开创了岩石力学研究的新纪元。图1-4a是在伺服试验机MTS上得到的煤试样单轴压缩过程中的轴向应力、轴向应变和环向应变，图1-4b对局部曲线作了5：1的放大。试验过程中以试样环向变形增加速率4mm/3600sec控制轴向加载［21］，试验机每秒采样一次，共3600组数据。在加载过程中，煤试样局部会产生脆性破坏，使环向变形突然增大；为维持环向变形的恒定速率，试验机会伺服控制轴向卸载，减小环向变形后再继续进行轴向加载。
图1-4 伺服试验机上得到的煤试样单轴压缩过程
a—试验的全过程；b—局部的放大图
现在，岩石变形引起颗粒结构的细观变化，已经利用电镜扫描、CT技术等进行研究；岩石破坏过程中声音、电磁现象也利用各种设备进行测试［22～27］。
❸ 为什么要进行岩石全分析
进行岩石全分析的原因有以下几方面：
1、了解岩石的化学组成，进行化学分类、命名。
2、作矿物含量及参数的计算。
3、研究岩石成分在成岩过程中的变化。
4、研究岩石成分在时间、空间上的演化。
5、判别岩浆岩的成因。
6、恢复变质岩的原岩。
7、研究沉积岩的沉积环境。
8、研究岩石成分与成矿的关系。
❹ 谈谈对岩石力学的体会
1、岩石力学：岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论和应用科学，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。
❺ 研究岩石流变力学性质有什么意义
主要研究：①岩石应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。②岩石强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（粘聚力c和内摩擦角φ）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。③岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不变时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。④岩石渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩石渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。⑤岩石动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。
❻ 一般来说，矿岩石的机械力学性质有哪些
岩矿石的机械力学性质一般包括岩矿石的强度、坚固性以及稳固性，这些性质对于采矿来说非常重要。
❼ 岩石力学性质的影响因素分析
6.2.1 岩石成分对岩石力学性质的影响
影响岩石力学性质的因素很多，除受力条件和赋存环境等外在因素外，还有沉积岩石物质成分和结构构造等内在因素，因此，沉积岩的沉积特征与力学性质对岩石的变形机制和井下支护对策的研究具有重要意义。有关岩石成分和结构对岩石力学性质的影响研究，已取得了有意义的定性认识: 如石英含量越高，强度越大; 细颗粒岩石的强度较高; 抗压强度随着孔隙率的增加而减少等。近些年来，利用高倍显微镜、扫描电镜及 CT 技术研究岩土的微观、宏观结构，取得了一定成果。国内学者就软岩工程地质特征进行了研究，取得了有意义的研究成果。但从目前的研究现状看，岩石 ( 体) 力学中的沉积特征研究开展得还不够深入，沉积岩石学与力学研究和工程应用没有融为一体，因而没有真正发挥应有的作用。基于沉积岩石学特征，应用相关仪器，对不同岩性的岩石试样进行试验，建立沉积特征参数与宏观力学性质之间的定量关系，取得了有意义的研究成果。岩石中的裂隙，按成因分为原生裂隙与次生裂隙两大类。裂隙的存在，导致岩体的连续性被破坏，削弱岩体内的连接力，降低岩体的坚固性和稳定性。原生裂隙是指成岩过程中生成的裂隙，也叫成岩裂隙，如沉积岩的层理面、节理面、不整合面以及在成岩过程中因脱水密实而出现的与层理垂直或斜交的有一定分布规律的裂隙面。次生裂隙指岩层生成以后产生的，主要包括构造裂隙和矿压裂隙。构造裂隙是在岩体形成后，在地壳运动过程中产生的，在岩体内除了一些明显裂隙外，还有很多闭合的、很难分辨的细微裂隙。由于地质构造作用力的不同，可分为张裂隙和剪裂隙。由于岩体内存在着这些大大小小的裂隙，构成明显的弱面，所以在开采过程中，常会发生无预兆的冒顶事故。矿压裂隙是在开采过程中，由岩体内矿山压力所造成的。天然岩体总是被各种裂隙分割成块体，这些块体之间既相互联系又相互影响。岩石的非均质性、层理性、裂隙性，对岩石的物理力学性质有重大的影响，岩石物理力学性质的连续或不连续、均匀或不均匀、各向同性或各向异性，都取决于这些结构特征。
6.2.2 水对岩石力学性质的影响
地壳中的岩石，尤其是沉积岩，大部分都含有水分或溶液，有的含有油气。L.Müller( 1974) 曾指出过，岩体是两相介质，即由矿物 - 岩石固相物质和含于孔隙和裂隙内水的液相物质组成，它们都会降低岩石的弹性极限，提高韧性和延性，使岩石软化，易于变形，其变形与强度特征受到重要影响。
( 1) 兖州煤田
由表6.3 至表6.5 可以看出，随含水量增加，岩石的单轴抗压强度和弹性模量均急剧降低，但降低的速率受岩性控制，不完全相同，主要取决于岩石结构状况、结晶度和是否含有亲水性粘土矿物等因素。影响岩石力学性质的主要因素有岩石岩性、构造分布、水的作用等，通过上面的分析得出如下认识:
表6.3 兖州煤田自然含水状态下力学性质试验结果
注: 采样地点东滩煤矿。
不同岩性的岩石具有不同的形变速率和强度特征，岩石力学性质主要表现为，随着碎屑颗粒粒度由粗到细，即由砂岩到泥岩变化，碎屑岩的强度与刚度均迅速衰减。随构造发育程度的不同，区域岩体表现的力学性质存在很大差异，构造发育区，岩体的完整性遭到破坏，岩石被切割或破碎成带，力学强度降低; 非构造发育区，岩体完整，岩体力学强度高。水对岩石力学性质亦有重要影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力 - 应变曲线具有明显的应变软化特性; 随着含水量的增加，岩石单轴抗压强度和弹性模量均急剧降低，表现为塑性破坏，且应变软化特性不明显。另外，砂岩的孔隙度对力学性质影响也很明显 ( 表6.6，表6.7) ，同是细砂岩，当孔隙率分别为 2.3%、8.0%、11.4% 时，自然状态下的抗压强度分别为 796.0MPa、492.0MPa、158.0MPa; 同是中砂岩，当孔隙率分别为 4.4% 、12.7% 、15.7% 、17.8% 时，自然状态下的抗压强度分别为 700.0MPa、398.6MPa、539.0MPa、115.0MPa; 说明随着孔隙度的增高，岩体抗压强度有迅速减小的趋势。
表6.4 兖州煤田 3 煤层顶板岩样测试参数
注: 采样地点东滩煤矿。
表6.5 兖州煤田岩石物理力学性质 ( 一)
表6.6 兖州煤田岩石物理力学性质(二)
注:采样地点东滩煤矿。
表6.7 兖州煤田岩石物理力学性质(三)
注:采样地点东滩煤矿。
( 2) 龙固井田
巨野煤田龙固井田山西组 3 煤层顶底板砂岩含水层，统称为 3 砂。井田内有 60 孔揭露，砂岩厚 4.80～75.65m，平均 26.7m。以细砂岩为主，局部为中砂岩和粉砂岩，裂隙局部发育，充填有方解石脉。3 砂共发现漏水点 9 层次，漏水孔率为 15.0%，漏水点深711.28～ 905.36m。该层位 L - 2 和 L - 15 孔抽水 2 次，单位涌水量 0.00811～ 0.01509L / s·m，渗透系数 0.00993～ 0.02746m / d，水位标高 34.97～ 35.12m，矿化度 6.88～ 7.79g / L，水质类型为 SO4- K + Na 型，属弱富水的裂隙承压含水层。根据抽水试验，水位恢复缓慢，如 L -2 号孔抽水后 24h 恢复水位尚比静止水位低 4.74m，表明 3 砂径流不畅，补给条件差。3 砂是 3 煤层直接充水含水层。根据研究的需要，把龙固井田富水性分区划分为5 个级别: 极强、强、中等、弱、极弱。通过对研究区钻探、水文等资料进行分析，对研究区不同级别的富水性进行了圈定 ( 图6.3) 。由图6.3 可知: 龙固井田内总体富水性主要呈南北分布、东西分带的特点，井田大部分区域富水中等，约占井田的 1/2。其中，富水性比较弱的区域主要分布在井田的东南部，靠近邢庄断层，北部跨过陈庙断层的区域小面积出现; 井田富水性强的区域主要分布在井田东北部陈庙断层与田桥断层交叉区域以及井田北部靠近张楼断层的小块区域，总体来说，龙固井田 3 煤顶板富水性中等 - 偏强，影响了煤层顶板岩石力学的强度 ( 表6.8) ，降低了顶板稳定性。
图6.3 龙固井田 3 煤顶板砂岩富水性分区
表6.8 龙固井田3煤顶板岩石物理力学性质试验
续表
6.2.3 构造结构面对岩石力学性质的影响
对于不同岩性的岩石，破坏机制存在差异，软质岩石在单轴压缩条件下为剪张破坏，在一定侧压条件下为弱面剪切破坏和塑性破坏，并且随着侧压的增大，岩石应力 - 应变曲线由应变软化状态向近似应变硬化状态过渡，并伴有体积膨胀现象。中硬岩石在单轴压缩条件下为脆性张裂破坏，随着侧压的增加，岩石进入剪切破坏; 岩石应力 - 应变曲线表现出一定的应变软化特性。硬质岩石在侧压范围内均为脆性张裂破坏和剪切破坏，破坏时发出较大的声响和振动，岩石应力 - 应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性，说明岩性对岩石力学性质具有重要的控制作用。
煤矿开采实践证明，煤层顶板稳定性存在局部变化，与断层、褶皱活动相关，断层的存在可以改变顶板冒落的一般规律，使顶板沿断层切下，导致工作面突然冒顶和来压。无论是正断层还是逆断层，在断层下盘靠近断层面附近最易冒顶，当巷道掘进到断层区时，一般出现比较大的围岩变形，支护十分困难。顶板岩体中发育的小褶皱常使顶板条件恶化，由于挠曲滑动作用，褶皱的层理面上擦痕遍布，使顶板稳定性降低。
断层带附近煤岩体力学性质的变化特征与正断层的形成过程和特点密切相关 ( 图6.4) 。在断层的形成过程中断层面附近为一明显的应力集中带，其变形破裂也最明显，在该带煤岩层强度大幅度降低，远离断层，应力作用减小，变形破裂也变弱，因此平面上越靠近断层，煤层孔隙和裂隙越发育，煤岩体力学强度也越低 ( 图6.5) 。正断层形成的过程中，上盘为主动盘，断裂面形成后，上盘会因重力作用向下滑动，而产生次生压力，此外，正断层使断块在不规则断层面上活动或断块内小断块之间相互作用产生局部压力。正断层的这些特征势必导致上盘裂隙发育程度大于下盘，上、下盘相对滑动产生的次生应力不仅会使上盘的破坏程度大于下盘，而且会使伴生的剪裂隙和张裂隙进一步扭转，转化为张扭性裂隙。
图6.4 断层与煤层裂隙和孔隙率的关系
煤层顶板稳定性的局部变化与断层、褶皱的活动有关。研究表明 ( 图6.5) ，断层带附近煤岩体破碎，煤岩体中裂隙的发育程度随着与断层面距离的变小而增强，煤岩体力学强度越靠近断层越低。裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化，正断层附近宏、微观裂隙发育程度和影响宽度表现为上盘明显高于下盘，且断层对煤岩体力学强度影响宽度明显高于对宏、微观裂隙影响宽度，一般为落差的 2～4 倍。由于采动影响，破坏了岩体中原岩应力的平衡状态，引起采场周围岩体内的应力重分布，形成支承压力区和卸载区，随着工作面推进顶板沉积岩层经历了一个在煤壁前方支承压力作用下的压缩 ( 密) 变形和沿层面方向的剪切滑移变形，最后在采空空间沿层面产生拉张离层破坏的过程，最终导致煤层顶板失稳。
图6.5 断层附近煤岩体单轴抗压强度的变化L—距断层距离; H—断层落差
6.2.4 沉积结构面对岩石力学性质的影响
沉积结构面与成岩后所形成的构造结构面是有区别的，对岩体力学性质的影响也各不相同。沉积结构面分布广，延展好，相互间高度贯通，使沉积岩体具有许多特有的力学特征 ( 图6.6) 。所以研究沉积结构面对岩体力学性质的影响具有重要意义。
图6.6 不同结构类型岩体应力应变曲线( 据张倬元等，1994)
沉积结构面是沉积岩体特有的性质，由于沉积结构面的存在使沉积岩体力学性质呈各向异性。根据层理面上的强度特征将层理进一步分为弱面型与非弱面型。
1) 非弱面型层理是在水动力较强、变化不大，或者说是在持续较强的水动力条件下形成的，并保存在砂岩和粉砂岩中的沉积构造，如交错层理、水平层理、平行层理等。岩体受力变形过程中一般不会沿这些层理面破坏。
2) 弱面型层理是在水动力强弱交替的条件下形成的，当水动力弱时形成泥质岩、云母片、植物碎屑和炭质等定向排列而呈现层理，这类层理的细层之间粘结较弱，形成沉积弱面，如交错层理、砂纹层理、潮汐层理、互层层理和水平层理等，岩体受力变形过程中，岩体易产生垂直于沉积结构面的张性破坏或沿沉积弱面的剪切破坏。
层系或层系组界面、岩层面以及不整合面均为沉积弱面，对岩石 ( 体) 力学性质具有重要影响。如老顶砂岩与直接顶或煤层冲刷形成的接触面，由于砂岩与泥岩力学性质差异较大，岩性界面黏聚力差，砂体下直接顶泥岩层往往易离层破坏，因此在成岩作用过程中接触面附近常发育有较多的垂直接触面的原生裂隙，造成岩体的不连续性，对顶板稳定性影响很大。
沉积岩体中软弱夹层实质上是具有一定厚度的岩体软弱结构面，它与围岩相比，具有显著低的强度和显著高的压缩性，其抗压、抗剪和抗拉强度均低于围岩，在采动影响下软弱夹层易于沿层面脱落。
因沉积结构面受力作用的方式不同，沉积岩体变形破坏机制也不相同。
层理构造是沉积岩最基本的特征，沉积岩体中的层理面在地质上代表的是一种沉积环境向另一种沉积环境过渡的转换面，代表一个沉积间断，其形态具有多样性，层理面上往往有大量的植物碎屑、云母片等软弱成分的定向排列，在力学性质上属于一种弱结构面。层理越发育，其顶板的稳定性越差。B.A.布克林斯基用衰减函数描述岩体内部移动等值线，当考虑岩体分层性时，计算出的移动等值线不是平滑的而是出现折线形状，线的转折发生在两个岩性不同的接触面处。由于层理的存在使岩体力学性质呈各向异性，图6.9 展示了沉积岩体各向异性变形特征。在室内对层状岩石试件的实验结果表明，加载方向不同，岩石表现出不同的力学性质 ( 表6.9; 图6.7，图6.8) 。
表6.9 沉积结构面对岩体力学性质影响统计
图6.7 沉积结构面对陆源碎屑岩弹性模量影响曲线
由以上分析，总结出下面几点结论:
1) 垂直层理方向加载时的弹性模量比平行层理方向加载时的弹性模量低，这是因为层面间结合力较差，甚至有空隙，因此，垂直层理方向易被压缩，应变量大所致。
图6.8 沉积结构面对陆源碎屑岩抗压 ( A) 、抗拉 ( B) 强度影响曲线
2) 岩石的强度表现为平行层理方向加载时的抗拉强度大于垂直层理方向的抗拉强度，而平行层理方向加载时的抗压强度与凝聚力小于垂直层理方向的抗压强度与凝聚力。
3) 纵波速度和动弹性模量亦表现出垂直于层理方向比平行于层理方向低的特征，且各向异性指数表现为顶板泥岩明显大于老顶砂岩，这是由于顶板泥岩层面富集植物碎屑和碎片以及水平层理发育所致。
由此可知，由于沉积岩体中层面和层理的存在，导致沉积岩体的力学性质明显地表现为各向异性或横观同性特征 ( 图6.9) 。
图6.9 各向异性变形测试结果( 据郭志，1981)
❽ 科学家对岩石和矿物的研究的意义
首先 我们生产生活所需的矿产资源基本上都来源于岩石和矿物，（2）人类工程活动大多在岩石圈范围内开展，岩石的性质直接决定着工程的稳定性（3)岩石是研究各种地质构造和地貌的物质基础；(4)岩石是研究地壳历史的依据。
❾ 岩石力学性质及其影响因素
主要的岩石力学性质的刚性、柔性、弹性、塑性、脆性、韧性以及强度等的定义如下。刚性和柔性指的岩石在力的作用下是否出现变形的性质，否则刚性，是则柔性。弹性和塑性指的是岩石在力的作用下是否出现可恢复的变形的性质，否则塑性，是则弹性。脆性和韧性指的岩石在力的作用下是出现破裂的变形还是流动而不破裂的变形的性质，前者是脆性，后者是韧性。强度指岩石在力的作用下出现屈服或破裂时承受的最大应力。岩石处于地下深处，承受着周围岩体对它施加的围压作用、地下热量对其的加热作用、地下流体对其的物理和化学作用以及时间因素的作用等。所有这些因素在很大程度上可改变岩石的力学表现。
1.围压因素
岩石所处深度越大，围压也越大，这种压力，一方面增强了岩石的韧性；另一方面，大大提高了岩石的强度极限，弹性极限也有所增高。
图3-44为石灰岩在常温时从0.1MPa到约400MPa的围压下进行实验而得出的应力-应变曲线。当围压为0.1MPa，施加压应力到280MPa时，石灰岩表现为弹性，超过此值岩石就破裂。当围压增大到100MPa以上，石灰岩受到400MPa左右的压应力时，开始显示塑性变形。围压在200MPa时，石灰岩压缩了30%还未破裂，表明岩石的韧性大大增加了。上述实验还表明，岩石的强度极限是随围压的增加而加大的。当围压为0.1MPa时，即在地表条件下，这种石灰岩的抗压强度也可达到280MPa；围压为100MPa时，其抗压强度将大于390MPa；围压在400MPa时，石灰岩的抗压强度可增高到800MPa以上。此外，岩石种类不同，围压的影响可以有很大的变化。
图3-44 石灰岩在不同围压下的应力-应变曲线
（据E.Robertson）
上述情况表明，在近地表，大多数岩石表现为脆性，断裂相对较发育。当处于地壳深处时，岩石就变为具有高度韧性的物质，甚至呈现出粘性流动特征，因此，褶皱就相对比较发育。
围压对于岩石力学性质影响的原因在于，围压使固体物质的质点彼此接近，增强了岩石的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易断裂。
2.温度因素
许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温度的升高，岩石的强度降低，弹性减弱，韧性显著增强，因而有利于发生形变。图3-45是格里格斯（D.T.Griggs，1951）对大理岩进行实验所作出的应力-应变曲线。在室温和1000MPa围压下，对大理岩施加压力时，大理岩的弹性极限为200MPa左右；温度增高到150℃时，弹性极限降低为100MPa左右。这个实验表明，温度升高对岩石变形和抗压强度的影响。
矿物与岩石一样，温度升高，弹性极限和抗压强度明显降低，易于塑性变形。图3-46是磁黄铁矿在围压100MPa和不同温度下的应力-应变曲线。温度从25℃逐级升高到500℃，弹性极限和抗压强度逐级降低，而且温度升得越高，二者降得越快。
图3-45 温度和溶液状态对大理岩变形的影响
（据D.T.Griggs，1951）
图3-46 在围压100MPa和不同温度作用下，磁黄铁矿的应力-应变曲线
（据R.C.Bruce et al.，1973）
温度增高对岩石力学性质影响的原因是，由于温度增高时，岩石质点的热运动增强，从而减弱它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。因此，当温度升高到适当程度时，较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。
3.流体因素
在干燥和潮湿状态下，岩石的力学性质是大不相同的。野外观察和室内实验都证实了这一点。当岩石中有溶液或水汽时，通常可降低岩石的弹性极限，增加岩石的塑性，岩石易于变形。
一种机制是在应力作用下，溶液有利于重结晶作用，它可促使某些矿物溶解，也可促使某些新矿物形成，因而有利于岩石的塑性变形。另一种机制是溶液的加入使分子的活动力加强，因此，随着分子活动力的增强，岩石分子之间的凝聚力必然降低，从而降低了岩石和矿物的强度。第三种机制是岩石孔隙内流体通常具有一定的孔隙压力，这种压力可以减小岩石内摩擦力。一般情况下，岩层中孔隙压力增大会使岩石屈服强度降低，因而易于变形。在沉积物堆积时，一些流体封闭在粒间孔隙内，水就是其中常见的一种。沉积物被压实后，其中部分虽被挤出，但大部分仍然留在岩层中，可以产生很大的孔隙压力。
对比图3-45下面两条曲线，湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形，如果产生10%的变形量所需要的压应力，对于干大理岩是300MPa，而对于湿大理岩只需要200MPa左右。表3-2列举了七种岩石在潮湿条件下抗压强度的降低率，其中页岩抗压强度降低率最大，为60%。
矿物也具有这种性质，如云母片在潮湿的空气里远比在干燥的空气里更易弯曲。图3-47中曲线A、B、C、D表示在干燥条件下，随着温度的不断升高，石英的弹性极限依次降低，而塑性相应增大。在干燥条件下950℃的曲线应在C、D线之间，但在潮湿条件下，950℃的E曲线却下降到曲线D以下，表明其强度大大降低。
如图3-48所示，当孔隙压力增加时，岩石的屈服强度随之降低，即图中由点g降到点a。
表3-2 七种岩石在干燥和潮湿状态下的抗压强度及强度降低率
图3-47 溶液和温度对石英变形的影响
（围压1400MPa）
图3-48 印第安纳石灰岩在近70MPa围压下的压缩变形中，孔隙压力对应力-应变曲线的影响
（据P.Robinson，1959）
实验还表明，同一岩石，因流体介质性质不同，其强度降低程度也不相同。例如：处于围压为1000MPa的大理岩，在煤油介质内的抗压强度为810MPa；但在水中，其抗压强度降低为156MPa，仅为在煤油中的抗压强度的五分之一。
4.时间因素
时间对于岩石的力学性质与变形的影响有以下三个方面：
（1）快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响
快速施力，不仅加快岩石的变形速度，而且会使其脆性变形加强。例如，沥青和潮湿粘土是韧性物质，在快速冲击力作用下，会像脆性物质一样被破坏。如缓慢施力，则会使脆性物质发生塑性变形。长时间缓慢持续施力，使物体破坏所需要的应力远比迅速施力使之破坏所需要的应力小得多。当岩石受到缓慢的长时间外力的作用时，质点有充分时间固定下来，于是产生了永久变形。当快速变形时，质点来不及重新排列就破裂了，所以就呈现出脆性变形的特征。
（2）重复受力对岩石变形的影响
使岩石多次重复受力，虽然作用力不大，也能使岩石破裂。图5-49表示一种金属破裂时的应力与发生破裂所需要加力次数之间的关系。从图中可以看出，当应力次数增加时，破裂时的应力值就降低，降低为200MPa时，图上曲线便趋于水平，这时的应力值代表了物体在重复受力情况下发生破裂的最低应力极限，称为疲劳极限或耐力极限。用低于疲劳极限的应力作用于物体次数再多，也不能使物体破裂。
（3）长期作用对岩石变形的影响
流变实验可观察长期作用对岩石变形的影响。通常有等应变率实验和蠕变实验两种，前者对岩石施加一个恒定的很小的应变速率来观察应力变化情况，后者对岩石施加一个恒定的较小的应力来观察应变长期变化情况。基本的结论是：长时间的缓慢变形会降低材料的弹性极限；弹性不断降低，弹性变形逐渐减小，塑性变形不断缓慢增加；脆性降低，韧性增强，并可呈现流变特征。
石灰岩在常温常压下是脆性的，弹性极限为250MPa。但在较长时间的实验中，虽然只受到140MPa的压应力作用，便可以发生塑性变形。第一天缩短了0.006%，10天后缩短了0.011%，再后变形速度减慢（图3-50）。上述的变形包括了弹性变形和塑性变形两部分，当外力取消后弹性变形部分随之消失，但塑性变形部分保留了下来。
图3-49 某种金属的耐力曲线
（据M.P.Bilings，1972）
图3-50 在140MPa的压应力作用下石灰岩的蠕变曲线
（据D.T.Griggs，1939）
根据蠕变的变化特点，可将蠕变过程分为三个阶段（图3-51）：第一阶段可称为过渡蠕变阶段，相当于曲线AB段，在此阶段内应变速率不断减小，达到B点时降为最小值；第二阶段为平稳蠕变阶段，又称定常蠕变，相当于曲线的BC段，在该阶段内蠕变速率保持常量，是蠕变速率最小的一个阶段；第三阶段为加速蠕变阶段，相当于曲线的CD段，在本阶段内随着时间增长，蠕变速率显著加快，到D点后，试件完全破坏。
岩石在恒定外力作用下都会发生蠕变现象，只是不同的岩石其蠕变快慢不同而已。温度对蠕变快慢的影响也很大，温度越高，蠕变越快（图3-52）。蠕变是岩石流动性的一种表象，它与液体的流动相似，所不同的是液体流动的分子运动是各自独立的，而蠕变流动是靠晶体的滑移来实现的。
图3-51 蠕变曲线
a—典型的蠕变曲线；b—低温和低应力下的蠕变曲线；c—高温和高应力下的蠕变曲线
图3-52 蠕变增大曲线
（据A.H.Sully，1949）
恒定应力作用下，蠕应变随温度增高而增大
吉格奈格斯（Gignoux）早在1948年就指出：“只要有足够的时间，任何岩石在任何应力下都能够流动。”在流变的意义下，岩石的变形和应力都受时间因素的影响。应当看到，开展岩石流变学和高温、高压条件下岩石力学实验研究，将会有助于推动成因构造地质学和大地构造学的发展。
最后将围压、温度、流体和时间对岩石力学性质和岩石变形的影响定性地概括于表3-3中。
表3-3 岩石力学性质及其与影响因素的关系
“＋”表示提高、增强，“-”表示降低、减弱。
❿ 你观察过岩石和土壤吗,知道人们为什么一直对岩石和土壤进行研究吗
岩石与土壤之间的关系：土壤是由于岩石一系列的变化而形成的。
裸露的岩石经过风化作用变成成土母质，成土母质在微生物和低等植物的作用下变成原始土壤后经草本植物和木本植物的作用变成成熟的土壤，土壤的侵蚀堆积又是岩石圈沉积岩的重要来源，岩石是古代火山爆发后所形成的物质，经过很多自然原因慢慢形成了土壤。
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。土壤，是由一层层厚度各异的矿物质成分所组成大自然主体。土壤和母质层的区别表现在于形态、物理特性、化学特性以及矿物学特性等方面。由于地壳 、水蒸气、 大气和生物圈的相互作用，土层有别于母质层。它是矿物和有机物的混合组成部分，存在着固体，气体和液体状态。疏松的土壤微粒组合起来，形成充满间隙的土壤的形式。这些孔隙中含有溶解溶液（液体）和空气（气体） 。因此，土壤通常被视为有多种状态 。土壤由岩石风化而成的矿物质、动植物，微生物残体腐解产生的有机质、土壤生物（固相物质）以及水分（液相物质）、空气（气相物质），氧化的腐殖质等组成。固体物质包括土壤矿物质、有机质和微生物通过光照抑菌灭菌后得到的养料等。液体物质主要指土壤水分。气体是存在于土壤孔隙中的空气。土壤中这三类物质构成了一个矛盾的统一体。它们互相联系，互相制约，为作物提供必需的生活条件，是土壤肥力的物质基础。
可以研究土壤的类型，形成原因，特点，对农业生产的影响等等。