威寧岔河P—T界線粘土巖的成因及對地基工程的影響

杜昊昴

摘 要：貴州地區在二疊-三疊紀轉折時期，位于康滇古陸的東緣，貴州上二疊統至下三疊統碳酸鹽巖，硅質巖，碎屑巖等地層中普遍發育粘土巖，其中尤以P-T界線附近的粘土巖更引人關注[1，2，3]。文章以貴州威寧岔河剖面P-T界線附近粘土巖為研究對象，采取掃描電子顯微分析（SEM）手段，對其中的碎屑物質進行了初步研究，試圖從探討粘土巖成因這一角度揭示其地質學意義及對地基工程的影響。

關鍵詞：粘土巖；掃描電鏡；碎屑物質；火山作用；地基工程

中圖分類號：P642.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0041-03

Abstract： During the transition of Permian to Triassic periods， the Guizhou area is located in the eastern margin of the Kang-Dian ancient land. Clay rocks are commonly developed in the upper Permian to Lower Triassic carbonate rocks， siliceous rocks and clastic rocks in Guizhou. The clay rocks near the P-T boundary are of particular concern[1，2，3]. In this paper， the clastic materials in the clay rocks near the P-T boundary of the profile of Chahe River in Weining， Guizhou， were studied by means of scanning electron microscopy （SEM）. This paper attempts to reveal the geological significance of clay rock and its influence on foundation engineering from the point of view of discussing the genesis of clay rock.

Keywords： clay rock； scanning electron microscope （SEM）； clastic material； volcanism； foundation engineering

1 實驗方法

采用反復淘洗的方法使碎屑物質與粘土礦物分離開來，并將碎屑物質置于雙目鏡下進行觀察分析，挑選出表面干凈形態完好的部分，利用地質過程與礦產資源國家重點實驗室內掃描電子顯微鏡進行觀察照相以及形態分析并確定所含礦物種類，采用JSM-35CF型掃描電鏡，測試條件為工作電流2×10-11A，加速電壓25kV。

2 碎屑物質種類

六方雙錐石英：在樣品CH-68、CH-66中均發現了大量六方雙錐石英（如圖1），而在CH-1、CH-2中發現的六方雙錐石英含量較少，CH-4中基本沒有發現。可將這些六方雙錐石英分為兩個類型，一種是晶形完好棱角明顯的（圖1B），這種數量較少；另一種是晶形不是十分完好棱角有磨圓且表面有被磨蝕的痕跡的（圖片1A、C），這種數量較多。其成分為SiO2，無色透明，顆粒大小在150μm左右。

磷灰石：在CH-68、CH-66、CH-1和CH-2中均發現晶體形態較好的磷灰石（如圖2），其棱角分明且基本無磨圓，絕大多數成長柱狀也有極少數為短柱狀，長度100μm-400μm不等，無色透明。

鋯石：在CH-68，CH-66，CH-1，CH-2，CH-3中均發現了大量鋯石（如圖3），這些鋯石大多晶形完好成短柱狀，為無色透明，少數有磨蝕現象，顆粒大小在50μm-200μm不等。

在CH-68，CH-66，CH-1，CH-2層位中的碎屑物質主要為六方雙錐石英、磷灰石和鋯石；CH-3層位含六方雙錐石英和鋯石，無磷灰石；CH-4層位只含磷灰石，無六方雙錐石英和鋯石。且在岔河剖面各層位樣品碎屑物質中都沒有發現微球粒。

3 來源及成因分析

除CH-4外的粘土巖中都含有六方雙錐石英，它是β-石英在高溫條件（573-870攝氏度）下形成六方雙錐形態后在緩慢冷卻的條件下轉變為α-石英，但是仍然保留著保留原來晶形的假象，然而在快速冷卻的條件下β-石英的雙錐晶形和晶體的內部結構均可以得到很好的保持，也就是說β-石英與α-石英是同質多像的關系。因此，六方雙錐石英的出現暗示了當時出現的高溫條件，同時，一些六方雙錐石英表面出現的磨蝕痕跡很可能是火山噴發后火山灰顆粒相互碰撞的結果，這也是當時存在劇烈火山活動的良好佐證。

事實上，磷灰石在三大巖中均可產生，但一般認為它是酸性巖漿中的副礦物。通常情況下，沉積巖中形成的磷灰石會被染成深色，但在岔河剖面粘土巖中發現的磷灰石均為無色透明，而且晶形完好，故推測是由火山噴發形成的。同樣情況，晶形完好無搬運磨圓的鋯石一般也被認為是酸性巖漿中的副礦物，它的大量存在也被看作是火山噴發所致。

那么這些六方雙錐石英是否可能來自地外呢？從晶形的角度看，六方雙錐石英明顯區別于高壓石英（即斯石英和柯石英），斯石英屬于四方晶系而柯石英屬于單斜晶系。斯石英和柯石英在世界上的首次被發現都是位于美國俄亥俄州和亞利桑那州的隕石坑中，都是在地外物體高速撞擊地球瞬間產生的巨大壓力和溫度條件下形成的[4]。綜上可知，六方雙錐石英的出現只與地內事件即火山活動有關，與地外事件并無關系。

另外，地外事件和地內事件均可形成球粒，雖然只是成分上有區別，但是經過仔細的觀察和尋找，在這些碎屑物質中都沒有發現非晶質的球粒，故推測是火山灰首先降落在陸地上，由于降溫速度緩慢而全部結晶形成了六方雙錐石英，這也就基本排除了地外事件的可能。因此，這些無球粒的粘土層全部是由地內事件，即火山作用形成的。

4 對地基工程的影響

由火山作用形成的粘土巖具有以下幾個特性[5，6]：（1）

難破碎、難失水、難壓實；（2）易干縮并形成大量裂隙；（3）易膨脹且收縮強烈。由于其性質隨外界環境變化較大，因此對地基工程有很大的危害[7]。首先，粘土巖難破碎、難失水和難壓實的特性對建筑工程的地基安全存在潛在的不利因素和危險性；其次，粘土巖的膨脹性導致機場工程的道面板結構斷裂進而破壞跑道的安全；最常見的是在公路工程中，這些不良特性將導致路基壓實性降低，嚴重的會出現結構裂縫，影響路基的整體強度及穩定性，容易引起地基的不均勻沉降。

5 結束語

本次研究主要發現：岔河剖面P-T界線附近粘土巖碎屑物質中的六方雙錐石英、磷灰石、鋯石等都與高溫酸性巖漿有關，而部分碎屑物質表面的磨蝕痕跡可能與火山灰噴發造成小顆粒間相互碰撞有關，基本證實了該粘土巖的火山成因，進而聯系到對地基工程的影響，尤其是對建筑工程、機場工程以及公路工程的危害。

參考文獻：

[1]殷鴻福，黃思驥，張克信.華南二疊紀-三疊紀之交的火山活動及其對生物絕滅的影響[J].地質學報，1989，62（2）：169-181.

[2]Sepkoski Jr J J. Biodiversity： past， present， and future[J]. Journal of Paleontology， 1997， 71（4）： 533-539.

[3]楊遵義，吳順寶，殷鴻福，等.華南二疊-三疊紀過渡期地質事件[M].北京：地質出版社，1991.

[4]He， J.W.， Chai， Z.F.， Ma， S.L.， 1989.Discovery of paramorph of high-quartz in the stratotype section of the Permian-Triassic boundary at Meishan of Changxing， Zhejiang， and its significance[J]. Chin. Sci. Bull. 34， 474-477.

[5]謝明宇，鄭甲佳，吳立堅.貴州黔東南紅粘土路基填筑技術研究[J].公路交通科技，2013，103（7）：91-93.

[6]陶文平，劉朝暉，劉龍武.南方紅粘土公路路基設計與修筑技術研究[D].長沙：長沙理工大學，2010.

[7]易劍波.高速公路紅粘土路基填筑施工與改良方法研究[J].公路工程，2012，37（5）：141-143.