永勝縣龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質膠結的結構類型和成因淺析

夏偉　張洪銘　肖文剛

（1.中國水利水電第十四工程局勘察設計研究院　云南省　昆明市　650041　2.云南利魯環境建設有限公司　云南省　昆明市　650041）

永勝縣龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質膠結的結構類型和成因淺析

夏偉1張洪銘2肖文剛1

（1.中國水利水電第十四工程局勘察設計研究院云南省昆明市6500412.云南利魯環境建設有限公司云南省昆明市650041）

鈣質膠結是龍開口電站水資源綜合利用一期工程中常見的區域性特殊結構，其有著特殊的形成機理和分布規律。在明渠開挖過程中，通過工程地質測繪勘察、地質素描的綜合分析，并參閱相關工程地質勘察報告和專業文獻資料，對龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質膠結的結構進行研究，初步分析鈣質膠結的形成原理，得出鈣質膠結是成土作用和成巖作用共同參與的結果。

鈣質膠結；明渠開挖；成土與成巖作用

引言

工程區位于青藏高原與云貴高原接壤的斜坡過渡地帶，屬滇西縱谷山區及滇中紅層高原區地貌單元，以冰蝕、侵蝕、剝蝕地貌為主，海拔高程在1170～1330m之間，氣候類型屬南亞熱帶低緯度山地季風氣候。光熱資源豐富，光照充足，年日照時數1900～2100h。多年平均氣溫20.4℃，最熱月6月平均氣溫25.5℃，最冷月1月平均氣溫12.6℃。渠線總體屬剝蝕、溶蝕中低山地貌，渠線地形普遍較陡，自然坡度20～40°，局部達60～70°，局部地形平緩開闊，自然坡度在20°以下，工程沿線地表大部分為第四系金沙江階地堆積礫石層及第四系殘坡積層、洪沖積砂卵礫石層覆蓋，工程具有特殊性，在渠道工程區域內的礫石具有地表膠結且只分布在Ⅰ級、Ⅱ級階地的獨特沉積特征，據工程明渠開挖揭露，在不同樁號、不同深度出現了次生、表生膠結體，主要以鈣質膠結為主。

1　鈣質膠結的類型與分布

1.1鈣質膠結體的成分與類型

膠結體的成分較復雜，主要為砂巖、玄武巖及灰巖扁豆體為主。膠結體母巖較堅硬且富鈣質、鐵質，而更老的地層則多為松散狀。膠結體中礫石直徑達3～10cm；有些地段礫石非常細，小于1cm，以細礫、粗砂為主，甚至中細砂也出現膠結現象。

鈣質膠結體個體粒徑大小不一，最小的約1cm，最大的呈整塊發育，體積達0.5m3，但5～20cm左右的最為常見。綜合工程沿線鈣質膠結的發育程度，可將其分為兩類：①以姜狀和不規則的球狀為主，經固結、硬化作用成形，呈暗褐色，表面可見細小氣孔，經錘擊發現，鈣質膠結體質地內密外疏，固結程度內好外差；②體積較大，內部結構質地均一，固結和結晶程度較差，且具有個體越大結晶程度越差的特點，橫斷面有較平整的礫狀斷口，顏色呈灰白色。

1.2鈣質膠結體的分布

分布在沿金沙江Ⅰ級、Ⅱ級階地洪枯水位之間，區域性差異明顯。工程區內膠結體的成層性、分選性較差，呈條帶狀、透鏡狀分布。沉積規模較小，厚薄不均且具多個沉積旋回。長度上，有些開挖面長幾百米，短的約十幾米。厚度上，厚的達5m以上，薄的僅30～40cm，甚至更薄。在渠道的開挖斷面上常見有礫石、砂二元結構組成的多個沉積旋回。

總之，隨著渠道水力坡度的降低，開挖渠道底板高程逐漸降低，沿線鈣質膠結的發育長度逐漸變長、變厚；隨著開挖渠道越往末端越接近金沙江，階地逐漸向Ⅰ級階地過度，鈣質膠結的體積逐漸變大，埋深逐漸變淺，整體呈地勢低處埋藏淺，地勢高處埋藏深的趨勢。

2　鈣質膠結的成因初步分析

2.1鈣質膠結的成分來源及地下水環境

鈣質膠結中的鈣質成分多來源于古金沙江水中的Ca2+，以及周圍碳酸巖鹽的補充參與，江水中的中鈣離子的濃度變化成為制約碳酸鈣能否沉積與鈣質膠結大小的關鍵性因素。

金沙江上游沿岸中生代侏羅系砂頁巖、灰巖富含鈣質，為礫石膠結提供了豐富的鈣質來源。但工程區膠結只分布在Ⅰ、Ⅱ級階地，而高級階地多為松散礫石層，說明獨特的氣候是主要原因。

砂礫石的成巖作用發生于堆積以后，其堆積時期的古環境有著非常重要的作用，探查有關資料及前人研究成果，推測膠結體堆積年代距今約1萬～4萬年。總的古氣候背景呈現干旱特征；距今3.5萬年左右古氣候相對暖濕，是金沙江高水位期，金沙江礫石在該時段大量堆積。全新世初，氣候較干冷，降水及氣溫都有所減小，從距今1萬年左右的全新世開始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉暖，降水增加，金沙江發生古洪水，形成Ⅰ級階地河漫灘堆積。

末次冰期晚期全球氣候干冷，降水減少；但本區位于亞熱帶季風區，降水比間冰期少，但還是比高緯度多，只是水量小且運行緩慢，巖土不斷溶解提供Ca2+和。此外，上游沿岸及沿岸出露的古生代中生代富含鈣質的砂巖、泥巖、二疊系富含鐵錳質的玄武巖及其風化形成的土壤為地下水、地表水提供了豐富的鈣質來源，在干冷氣候背景下，河流水位下切，Ⅰ級階地上相對暖濕階段堆積的礫巖層出露在水面以上。在當時干冷氣候條件下，空氣干燥，溫度低，礫石層水分不斷蒸發，導致碳酸鈣過飽和而沉積與砂礫石混合，隨著時間的推移，不斷蒸發、淋濾作用下，碳酸鈣沉積越來越多，與砂礫石膠結程度越來越緊密，形成了如今的明渠開挖出露的鈣質膠結體。

2.2鈣質膠結的形成機理

鈣質膠結主要是碳酸鈣組成的膠結狀自生沉積物，工程區的鈣質膠結主要是在低地的河流階地土壤中由蒸發或者淋濾作用而形成的，鈣質膠結礫石的初始形態主要為球形狀或者近于球形狀，表面比較光滑，后來由于膠結作用，使許多球狀鈣質結核連接在一起，而形成不規則的較大鈣質膠結。

把水環境看做一個開放的溶液系統，把鈣質膠結的形成過程看做一種結晶過程，鈣質膠結持續形成的過程就是CaCO3不斷結晶富集沉積的過程，在水環境開放系統中，CaCO3的溶解與沉淀存在著平衡，反應式如下：

從平衡方程可以看出，在水溶液為鈣離子所飽和的情況下，若要使CaCO3不斷結晶，即平衡向左移動，需滿足下面2個條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的降低或水分的蒸發作用有利于沉淀的產生，類似地，土壤的高pH值也將促使平衡向左移動，使CaCO3的過飽和濃度增大。

（2）若要使CaCO3持續沉淀，即膠結不斷長大，還需含有Ca2+和離子的水不斷補充，即其它處的碳酸鈣不斷轉化為重碳酸鈣，且通過運移在土層一定深度集中富集。

同理，從平衡方程可以看出，若要使CaCO3不斷溶解，即平衡右移動，需滿足下面2個條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的升高（當成巖物質被覆蓋之后，由于厭氧細菌的作用，有機質腐爛分解，CO2等氣體）或降水作用有利于沉淀的溶解。

（2）若要使CaCO3持續溶解，即膠結體溶解，還需降低Ca2+和離子濃度，即增加溶液的量。

3　結論

龍開口電站水資源綜合利用一期工程區內氣候從古至今很長時間內比較炎熱，全年溫差小，且蒸發量大于降雨量，導致水分大量蒸發，有利于CaCO3的結晶沉積，這是一種成巖作用，此時沉積物質發生重新分配、組合，膠體礦物脫水陳化、壓縮膠結，最終固結為巖石。

龍開口電站水資源綜合利用一期工程區內氣候從距今1萬年左右的全新世開始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉暖，降水增加，CaCO3逐漸溶解為Ca2+和離子，淋濾進土層，在土層中運移富集，這是一種成土過程，在這個過程中，伴隨著土壤淋溶作用和脫鈣作用的進行，CaCO3逐漸溶解從而大量流出，從土壤表層向下遷移的鈣便在一定深度上又積聚起來。在長時間的蒸發、淋濾作用下，形成了工程區不同樁號、不同深度的鈣質膠結體。

綜上所述，龍開口電站水資源綜合利用一期工程區內鈣質膠結體的形成是成巖作用與成土作用共同參與的結果。

致謝：本文完成之際，首先感謝高工龐崇林對我的培養指導和支持，本文從選題、理論研究到寫作完成得到龐高工不斷的啟發和耐心的指導。龐高工寬厚的學識和嚴謹的治學態度將使我受益終身，值此文完成之際，謹向龐高工致以誠摯的敬意！

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TV223.1

A

1673-0038（2015）28-0288-02

2015-6-1

夏偉（1986-），男，云南建水人，助理工程師，本科，從事巖土工程勘察與設計工作。

張洪銘（1982-），男，河南商丘人，工程師，碩士，從事環境保護技術研究與工程設計工作。

肖文剛（1982-），男，云南景東人，助理工程師，大專，從事工程測繪與設計工作。