砒砂巖風化特性試驗

楊才千,劉 強,瞿 馮,趙艷兵,吳智仁

(1.湘潭大學土木工程與力學學院,湖南 湘潭 411105; 2.東南大學土木工程學院,江蘇 南京 210096; 3.江蘇大學環境與安全學院,江蘇 鎮江 212013)

砒砂巖是分布在黃河流域的一種由砂巖、砂頁巖和泥質砂巖所構成的特殊松散巖石互層,由于其顆粒間膠結程度差、結構強度弱等特點,遇水很快發生潰散,在凍融、重力、水力等外力作用下發生崩解、坍塌等現象,故砒砂巖地區植被退化嚴重,土壤侵蝕劇烈,是我國水土流失最嚴重的區域,也是黃河中游的主要產沙區域[1-2]。砒砂巖地區土壤侵蝕模數約為3萬～4萬t/(km2·a),其中進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,砒砂巖地區水土流失是學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、氣候環境等因素對砒砂巖侵蝕的影響以及機理,其中侵蝕的類型主要有風蝕、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、微觀結構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]對凍融循環作用下砒砂巖的凍脹融沉特性、微觀結構及力學性能變化等方面進行了研究,分析了砒砂巖受凍融侵蝕的機理;李俊俊等[13-15]通過對砒砂巖進行室內沖刷試驗及模擬降雨試驗,研究了沖刷強度、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理。然而,這一系列的侵蝕機理研究大多是針對砒砂巖在外力作用下的侵蝕產沙破壞,對于砒砂巖在自然環境變化下的損傷研究較少。而環境變化引起的風化侵蝕,加重了砒砂巖的初始劣化狀態,致使砒砂巖的抗蝕能力減弱,巖體的強度和穩定性進一步降低。因此,砒砂巖風化特性的研究為砒砂巖地區水土流失的治理、巖石崩塌、山體滑坡等地質災害的防治提供了必要的理論依據。

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

1 試驗設計

1.1 試驗取樣

通過前期的文獻調研和現場調研,選定內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉109國道附近一處野外區域作為取樣地點,砒砂巖取樣現場如圖1所示,具體步驟如下。

圖1 砒砂巖取樣現場

步驟1：采用小型挖掘機在選定好的位置挖掘一個取樣坑,基坑深為3.0 m,在取樣坑內沿垂直方向每隔0.5 m進行標定并依次取樣,取樣標準為結構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,以減少運輸過程對樣品的擾動。

步驟3：試驗樣品運回實驗室后,再次進行稱重,并與現場的稱重記錄進行對比,剔除由于水分蒸發或運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行礦物成分檢測及微觀結構觀測,分析不同深度砒砂巖的風化特性。

1.2 試驗方法

1.2.1X射線衍射

X射線衍射法(XRD)作為研究物質微觀結構的方法在物質本源研究、物質結晶過程與物相轉變研究、礦物晶體結構分析等方面均有較為廣泛的應用[16-18]。巖石在風化作用下其礦物組成、內部結構特征(孔隙率、結構面、孔隙連通性等)均發生變化[19-21]。因此,通過檢測不同深度砒砂巖的礦物成分來對其風化特性進行研究。

為得到取樣地點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在105℃的溫度下烘干24 h,再將烘干后的樣品進行研磨,過200目篩網,得到粒徑小于80 μm的粉末樣品。采用X射線衍射儀(圖2)對樣品進行掃描,設定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。然后將粉末衍射聯合會國際數據中心(JCPDS-IC-DD)提供的各種物質標準粉末衍射資料(PDF卡片)與X射線衍射圖譜進行比對分析,確定砒砂巖的礦物物質組成,并計算各個物相的質量分數?？偨Y分析砒砂巖礦物成分的變化規律,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集形貌觀察、記錄、測量等功能于一體,改善了傳統光學顯微鏡景深淺、工作距離短等缺點,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顯微鏡。巖石在風化作用下其礦物組成、內部結構特征(孔隙率、結構面、孔隙連通性等)均發生變化[19-21]。因此,通過觀測不同深度砒砂巖的微觀結構來對其風化特性進行研究。

為得到取樣地點不同深度砒砂巖的微觀結構特征,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)對樣品表面進行觀測,得到不同深度的砒砂巖樣品的表面微觀形態圖像,研究不同深度砒砂巖微觀結構的變化規律,并通過對微觀圖像進行技術處理計算其孔隙率,判定不同深度砒砂巖的風化程度。

圖3 超景深三維顯微鏡

2 試驗結果與分析

2.1 礦物組成

試驗測得不同深度砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜,如圖4所示。

西研究區閃鋅礦礦石結構為他形晶粒狀、他形粒狀。構造為裂隙充填，形成不規則網脈狀。伴有硅化、黃鐵礦化、黃銅礦化，礦化呈脈狀沿構造節理或裂隙分布，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射線衍射圖譜與標準衍射卡片進行比對可知:

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,基于礦物學的基本理論,膠結物為伊利石、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°)的主峰位具有較強的衍射信號,且峰形尖銳,表明砒砂巖中石英、長石的質量分數較高且結晶度較高。

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度,說明各物相的質量分數有所變化。對比淺層風化嚴重的砒砂巖和深層新鮮砒砂巖的XRD結果,發現風化嚴重的砒砂巖在長石(2θ=27°～28°)的標準峰位置處衍射強度較低,而高嶺石(2θ=12.3°)、白云石(2θ=30.7°)的標準峰位置處衍射強度較高。根據以上結果對比可以推斷,在砒砂巖的風化過程中,長石有所消耗而白云石、高嶺石逐漸生成,此過程與水、CO2存在密切的聯系。

為了進一步分析砒砂巖各物相的質量分數隨深度的變化規律,使用TOPAS軟件對不同深度砒砂巖樣品的X射線衍射圖譜進行定量分析,分析結果如圖5所示。

圖5 不同深度砒砂巖的礦物組成

由圖5可知:

a. 砒砂巖中長石的質量分數在50%以上,而長石屬于次穩定礦物,易發生水解反應生成高嶺石、伊利石等。因此,砒砂巖內部原有的結晶膠結逐步轉化為黏土膠結,降低了顆粒間的膠結作用,導致砒砂巖結構疏松。

c. 在0.5～1.5 m深度范圍內,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%。因為淺層范圍內砒砂巖的風化程度受外界環境影響較大,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),導致巖石結構發生破壞,風化程度較高。其中,粒徑較小的次生礦物隨著雨水的滲透,沿著孔隙進入到下層砒砂巖區域,因此在此深度范圍內,砒砂巖次生礦物總量隨深度的增加表現出上升趨勢。

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,砒砂巖的次生礦物總量呈現逐漸減小并趨于平穩的趨勢,次生礦物總量占比由15.5%降低至12.7%并逐漸趨于平穩。在此深度范圍內,砒砂巖不直接與外界環境接觸,受外界溫度、濕度、風、雨水等影響較小,因此風化程度相對較低。

2.2 微觀結構

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構,放大倍數為100倍,微觀結構如圖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,為多孔狀結構,試樣表面內存在微裂縫,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力較小,膠結方式主要為面-面接觸和點-面接觸,此深度的砒砂巖基本沒有強度,手指輕捏即可使其粉碎。

b. 在1.0～2.0 m深度范圍內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,且裂縫和孔洞內多為無填充或半填充的狀態。同時,隨著深度的增加,微裂縫、孔洞的尺寸及數目逐漸減少。

c. 在2.5～3.0 m深度范圍的砒砂巖表面平整且結構較為完整,顆粒的粒徑均勻,膠結程度較高,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倍的微觀結構圖像后,采用Matlab對砒砂巖圖像進行技術處理得到二值化圖片,計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：導入需要分析的微觀圖片,通過rgb2gray函數將數字圖片轉為灰度圖片。

步驟2：通過imhist函數查看灰度圖片的灰度直方圖,選擇合適的閾值后通過im2bw函數實現二值化處理。其中,因為砒砂巖表面較為粗糙,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致二值化圖像損失一些顆粒或者孔隙,造成誤差。因此,設定閾值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數S和白色總點數s,計算孔隙率Pr:

(1)

圖7 不同深度砒砂巖微觀結構圖像的二值化圖

二值化圖片結果如圖7所示,提取像素點參數后計算得到深度為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,砒砂巖受外界環境影響逐漸減小。

2.4 風化程度

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化程度的評價指標,將風化程度劃分為未、微、中、強風化4個等級,分別對應兩個指標都基本無變化、少量變化、顯著變化、極顯著變化。

根據分級標準,對照2.1～2.3節試驗結果判定深度大于2.5 m、2.0～2.5 m之間、1.0～2.0 m之間、小于1.0 m范圍砒砂巖的風化程度分別為未風化、微風化、中風化和強風化。隨著深度的增加,砒砂巖的風化程度逐漸減小,2.5 m深度以下基本處于未風化狀態。

3 結 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的趨勢。

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

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