楊才千,劉 強(qiáng),瞿 馮,趙艷兵,吳智仁

(1.湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105; 2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 210096; 3.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

砒砂巖是分布在黃河流域的一種由砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖所構(gòu)成的特殊松散巖石互層,由于其顆粒間膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱等特點(diǎn),遇水很快發(fā)生潰散,在凍融、重力、水力等外力作用下發(fā)生崩解、坍塌等現(xiàn)象,故砒砂巖地區(qū)植被退化嚴(yán)重,土壤侵蝕劇烈,是我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域,也是黃河中游的主要產(chǎn)沙區(qū)域[1-2]。砒砂巖地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)約為3萬～4萬t/(km2·a),其中進(jìn)入黃河的泥沙量多年平均近2億t,淤積到黃河下游河道的粗泥沙每年約為1億t,占黃河下游每年平均淤積量的25%[3]。因此,砒砂巖地區(qū)水土流失是學(xué)者專家們研究的熱門課題之一[4]。

近年來,砒砂巖水土流失的研究主要包括巖性特征、氣候環(huán)境等因素對砒砂巖侵蝕的影響以及機(jī)理,其中侵蝕的類型主要有風(fēng)蝕、水蝕、重力侵蝕及凍融侵蝕。石迎春等[5-8]從原狀砒砂巖樣品的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)角度研究了砒砂巖巖性特征對其侵蝕性能的影響;劉李杰等[9-12]對凍融循環(huán)作用下砒砂巖的凍脹融沉特性、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能變化等方面進(jìn)行了研究,分析了砒砂巖受凍融侵蝕的機(jī)理;李俊俊等[13-15]通過對砒砂巖進(jìn)行室內(nèi)沖刷試驗(yàn)及模擬降雨試驗(yàn),研究了沖刷強(qiáng)度、坡度、植被等對砒砂巖的影響,分析了砒砂巖受水力侵蝕的機(jī)理。然而,這一系列的侵蝕機(jī)理研究大多是針對砒砂巖在外力作用下的侵蝕產(chǎn)沙破壞,對于砒砂巖在自然環(huán)境變化下的損傷研究較少。而環(huán)境變化引起的風(fēng)化侵蝕,加重了砒砂巖的初始劣化狀態(tài),致使砒砂巖的抗蝕能力減弱,巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。因此,砒砂巖風(fēng)化特性的研究為砒砂巖地區(qū)水土流失的治理、巖石崩塌、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的防治提供了必要的理論依據(jù)。

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的砒砂巖為研究對象,對不同深度的砒砂巖樣品進(jìn)行礦物成分檢測和微觀結(jié)構(gòu)觀測,研究不同深度砒砂巖的風(fēng)化特征,然后采用次生礦物總量和孔隙率作為砒砂巖風(fēng)化程度的判定指標(biāo),對不同深度砒砂巖的風(fēng)化程度進(jìn)行判定。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)取樣

通過前期的文獻(xiàn)調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)研,選定內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)109國道附近一處野外區(qū)域作為取樣地點(diǎn),砒砂巖取樣現(xiàn)場如圖1所示,具體步驟如下。

圖1 砒砂巖取樣現(xiàn)場

步驟1：采用小型挖掘機(jī)在選定好的位置挖掘一個取樣坑,基坑深為3.0 m,在取樣坑內(nèi)沿垂直方向每隔0.5 m進(jìn)行標(biāo)定并依次取樣,取樣標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)未受擾動的小塊狀砒砂巖巖樣。

步驟2：將所取不同深度的砒砂巖樣品用密封袋密封保存,稱量樣品重量并記錄,使用鋪滿泡沫顆粒的箱子放置樣品,以減少運(yùn)輸過程對樣品的擾動。

步驟3：試驗(yàn)樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,再次進(jìn)行稱重,并與現(xiàn)場的稱重記錄進(jìn)行對比,剔除由于水分蒸發(fā)或運(yùn)輸擾動引起重量差別較大的試樣。

步驟4：對不同深度的砒砂巖樣品進(jìn)行礦物成分檢測及微觀結(jié)構(gòu)觀測,分析不同深度砒砂巖的風(fēng)化特性。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1X射線衍射

X射線衍射法(XRD)作為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的方法在物質(zhì)本源研究、物質(zhì)結(jié)晶過程與物相轉(zhuǎn)變研究、礦物晶體結(jié)構(gòu)分析等方面均有較為廣泛的應(yīng)用[16-18]。巖石在風(fēng)化作用下其礦物組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(孔隙率、結(jié)構(gòu)面、孔隙連通性等)均發(fā)生變化[19-21]。因此,通過檢測不同深度砒砂巖的礦物成分來對其風(fēng)化特性進(jìn)行研究。

為得到取樣地點(diǎn)不同深度處砒砂巖的礦物成分變化,沿深度方向每間隔0.5 m選取砒砂巖試樣,將樣品放入烘干箱內(nèi)在105℃的溫度下烘干24 h,再將烘干后的樣品進(jìn)行研磨,過200目篩網(wǎng),得到粒徑小于80 μm的粉末樣品。采用X射線衍射儀(圖2)對樣品進(jìn)行掃描,設(shè)定X射線衍射儀的初始角為5°,終止角為90°,步寬為0.02°,掃描速度為0.15 s/step,獲得不同深度砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜。然后將粉末衍射聯(lián)合會國際數(shù)據(jù)中心(JCPDS-IC-DD)提供的各種物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射資料(PDF卡片)與X射線衍射圖譜進(jìn)行比對分析,確定砒砂巖的礦物物質(zhì)組成,并計(jì)算各個物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？偨Y(jié)分析砒砂巖礦物成分的變化規(guī)律,比較不同深度砒砂巖的次生礦物總量,判定不同深度砒砂巖的風(fēng)化程度。

圖2 X射線衍射儀

1.2.2超景深三維顯微觀測

超景深三維顯微系統(tǒng)集形貌觀察、記錄、測量等功能于一體,改善了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡景深淺、工作距離短等缺點(diǎn),保證觀測表面粗糙的物體也能夠得到清晰、高分辨率的圖像,同時大幅度削減對焦的觀察工時,屬于適用范圍較廣泛的常規(guī)顯微鏡。巖石在風(fēng)化作用下其礦物組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(孔隙率、結(jié)構(gòu)面、孔隙連通性等)均發(fā)生變化[19-21]。因此,通過觀測不同深度砒砂巖的微觀結(jié)構(gòu)來對其風(fēng)化特性進(jìn)行研究。

為得到取樣地點(diǎn)不同深度砒砂巖的微觀結(jié)構(gòu)特征,沿深度方向每間隔0.5 m采集砒砂巖小塊體樣品,采用超景深三維顯微鏡(品牌:日本Keyence,儀器型號:VHX-2000E,見圖3)對樣品表面進(jìn)行觀測,得到不同深度的砒砂巖樣品的表面微觀形態(tài)圖像,研究不同深度砒砂巖微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,并通過對微觀圖像進(jìn)行技術(shù)處理計(jì)算其孔隙率,判定不同深度砒砂巖的風(fēng)化程度。

圖3 超景深三維顯微鏡

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礦物組成

試驗(yàn)測得不同深度砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜,如圖4所示。

西研究區(qū)閃鋅礦礦石結(jié)構(gòu)為他形晶粒狀、他形粒狀。構(gòu)造為裂隙充填，形成不規(guī)則網(wǎng)脈狀。伴有硅化、黃鐵礦化、黃銅礦化，礦化呈脈狀沿構(gòu)造節(jié)理或裂隙分布，顯示礦床成因類型為熱液充填型。

1—石英；2—長石；3—高嶺石；4—伊利石；5—白云石；6—綠泥石；7—方解石；8—黑云母；9—赤鐵礦圖4 不同深度砒砂巖的X射線衍射圖譜

將圖4中的X射線衍射圖譜與標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片進(jìn)行比對可知:

a. 砒砂巖的礦物組成主要為石英、長石、綠泥石、方解石、伊利石、黑云母、白云石、高嶺石等,基于礦物學(xué)的基本理論,膠結(jié)物為伊利石、高嶺石、赤鐵礦等。其中,各譜線在石英(衍射角2θ=26.6°)、長石(2θ=27°～28°)的主峰位具有較強(qiáng)的衍射信號,且峰形尖銳,表明砒砂巖中石英、長石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且結(jié)晶度較高。

b. 不同深度的砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜大致相似,說明砒砂巖所含主要礦物種類并沒有隨深度而改變。

c. 不同深度的砒砂巖在石英和長石等主峰位具有不同的衍射強(qiáng)度,說明各物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所變化。對比淺層風(fēng)化嚴(yán)重的砒砂巖和深層新鮮砒砂巖的XRD結(jié)果,發(fā)現(xiàn)風(fēng)化嚴(yán)重的砒砂巖在長石(2θ=27°～28°)的標(biāo)準(zhǔn)峰位置處衍射強(qiáng)度較低,而高嶺石(2θ=12.3°)、白云石(2θ=30.7°)的標(biāo)準(zhǔn)峰位置處衍射強(qiáng)度較高。根據(jù)以上結(jié)果對比可以推斷,在砒砂巖的風(fēng)化過程中,長石有所消耗而白云石、高嶺石逐漸生成,此過程與水、CO2存在密切的聯(lián)系。

為了進(jìn)一步分析砒砂巖各物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度的變化規(guī)律,使用TOPAS軟件對不同深度砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜進(jìn)行定量分析,分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同深度砒砂巖的礦物組成

由圖5可知:

a. 砒砂巖中長石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上,而長石屬于次穩(wěn)定礦物,易發(fā)生水解反應(yīng)生成高嶺石、伊利石等。因此,砒砂巖內(nèi)部原有的結(jié)晶膠結(jié)逐步轉(zhuǎn)化為黏土膠結(jié),降低了顆粒間的膠結(jié)作用,導(dǎo)致砒砂巖結(jié)構(gòu)疏松。

c. 在0.5～1.5 m深度范圍內(nèi),砒砂巖中次生礦物總量呈上升趨勢,且次生礦物總量占比相對較大,為13.7%～15.3%。因?yàn)闇\層范圍內(nèi)砒砂巖的風(fēng)化程度受外界環(huán)境影響較大,砒砂巖中長石、方解石等原生礦物在水和CO2作用下生成粒徑較小的高嶺石等次生礦物和可溶性的碳酸氫鈣(Ca(HCO3)2),導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,風(fēng)化程度較高。其中,粒徑較小的次生礦物隨著雨水的滲透,沿著孔隙進(jìn)入到下層砒砂巖區(qū)域,因此在此深度范圍內(nèi),砒砂巖次生礦物總量隨深度的增加表現(xiàn)出上升趨勢。

圖6 不同深度砒砂巖超景深三維顯微觀測

d. 在1.5～3.0 m深度范圍內(nèi),砒砂巖的次生礦物總量呈現(xiàn)逐漸減小并趨于平穩(wěn)的趨勢,次生礦物總量占比由15.5%降低至12.7%并逐漸趨于平穩(wěn)。在此深度范圍內(nèi),砒砂巖不直接與外界環(huán)境接觸,受外界溫度、濕度、風(fēng)、雨水等影響較小,因此風(fēng)化程度相對較低。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

采用超景深三維顯微鏡觀測不同深度砒砂巖的表面微觀結(jié)構(gòu),放大倍數(shù)為100倍,微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可知:

a. 0.5 m深度處的砒砂巖表面較為粗糙,為多孔狀結(jié)構(gòu),試樣表面內(nèi)存在微裂縫,裂縫寬度約為250 μm,且裂縫間無充填物。此外,砒砂巖顆粒粒徑差別較大,顆粒與顆粒之間膠結(jié)力較小,膠結(jié)方式主要為面-面接觸和點(diǎn)-面接觸,此深度的砒砂巖基本沒有強(qiáng)度,手指輕捏即可使其粉碎。

b. 在1.0～2.0 m深度范圍內(nèi)的砒砂巖表面較為平整,顆粒粒徑較為均勻,存有少量的微裂隙和孔洞,且裂縫和孔洞內(nèi)多為無填充或半填充的狀態(tài)。同時,隨著深度的增加,微裂縫、孔洞的尺寸及數(shù)目逐漸減少。

c. 在2.5～3.0 m深度范圍的砒砂巖表面平整且結(jié)構(gòu)較為完整,顆粒的粒徑均勻,膠結(jié)程度較高,基本不存在裂紋或孔隙。

2.3 孔隙率

在得到不同深度砒砂巖放大100倍的微觀結(jié)構(gòu)圖像后,采用Matlab對砒砂巖圖像進(jìn)行技術(shù)處理得到二值化圖片,計(jì)算出不同深度砒砂巖樣品的孔隙率。具體的操作步驟如下。

步驟1：導(dǎo)入需要分析的微觀圖片,通過rgb2gray函數(shù)將數(shù)字圖片轉(zhuǎn)為灰度圖片。

步驟2：通過imhist函數(shù)查看灰度圖片的灰度直方圖,選擇合適的閾值后通過im2bw函數(shù)實(shí)現(xiàn)二值化處理。其中,因?yàn)榕皫r表面較為粗糙,有些顆粒并不處于試樣的表面,而是在顆粒間的孔隙之中,選擇過大或過小的閾值會導(dǎo)致二值化圖像損失一些顆?；蛘呖紫?造成誤差。因此,設(shè)定閾值t的增量Δt=0.01,將不同閾值t(0

步驟3：提取二值化圖片像素總點(diǎn)數(shù)S和白色總點(diǎn)數(shù)s,計(jì)算孔隙率Pr:

(1)

圖7 不同深度砒砂巖微觀結(jié)構(gòu)圖像的二值化圖

二值化圖片結(jié)果如圖7所示,提取像素點(diǎn)參數(shù)后計(jì)算得到深度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m處砒砂巖的孔隙率分別為7.81%、6.92%、6.39%、6.06%、5.91%、5.92%。隨著深度的增加,砒砂巖的孔隙率逐漸減少,且減小幅度呈逐漸減弱的趨勢,表明隨著深度的增加,砒砂巖受外界環(huán)境影響逐漸減小。

2.4 風(fēng)化程度

鑒于以往的研究成果[21-23],選取次生礦物總量、孔隙率作為砒砂巖風(fēng)化程度的評價指標(biāo),將風(fēng)化程度劃分為未、微、中、強(qiáng)風(fēng)化4個等級,分別對應(yīng)兩個指標(biāo)都基本無變化、少量變化、顯著變化、極顯著變化。

根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn),對照2.1～2.3節(jié)試驗(yàn)結(jié)果判定深度大于2.5 m、2.0～2.5 m之間、1.0～2.0 m之間、小于1.0 m范圍砒砂巖的風(fēng)化程度分別為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化。隨著深度的增加,砒砂巖的風(fēng)化程度逐漸減小,2.5 m深度以下基本處于未風(fēng)化狀態(tài)。

3 結(jié) 論

a. 不同深度砒砂巖中所含的礦物種類相同,主要為石英、長石、綠泥石、方解石、伊利石、黑云母、高嶺石等。但不同深度的砒砂巖所含的次生礦物總量不同,隨著深度的增加,次生礦物總量呈先增大后減小并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。

b. 不同深度砒砂巖的微觀結(jié)構(gòu)不同,隨著深度的增加,砒砂巖表面粗糙度逐漸減小,微裂隙、孔隙的尺寸及數(shù)量逐漸減少,顆粒間的膠結(jié)逐漸增強(qiáng)。

c. 隨著深度的增加,砒砂巖的風(fēng)化程度逐漸減小,2.5 m深度以下基本處于未風(fēng)化狀態(tài)。.