滑坡填圖時確定松散物質(zhì)特征的新方法

滑坡填圖時確定定松散物質(zhì)質(zhì)特征的新新方法在進行災(zāi)害工作的野外調(diào)查時，很難評價松散物質(zhì)的粒徑分布和塑性特征。對于粗粒組分，尚可進行大致定量；但對于細粒組分，卻很難進行定量。到目前為止，通常采用的土壤確定性方法只能進行近似估計，一般是定性的，而且重現(xiàn)性極差。本文提出了GEOLEP方法，可以對松散物質(zhì)的細粒組分進行迅速定量，并且可以確定樣品的砂粒成分（細砂到中砂）和亞甲基藍值。進行該試驗所需的設(shè)備非常輕便，分析一個樣品所需的時間大約是15min，這樣在一天之內(nèi)可以進行多次測量。選擇了13個參考樣品進行校正，這些樣品代表了典型的高山沉積物。根據(jù)GEOLEP方法與實驗室染色實驗結(jié)果相比，相關(guān)指數(shù)為73%；與實驗室標(biāo)準(zhǔn)方法相比，相關(guān)指數(shù)為89%。采用Atterberg極限實驗對相關(guān)性進行驗證的結(jié)果表明，可以獲得近似的塑性指數(shù)（R2=75%）。這樣，通過這一方法，可以根據(jù)巖性因素（通過一些定量和具有代表性的變量），以一種可靠的方法評價滑坡災(zāi)害。一、概述從經(jīng)濟方面考慮，實驗室測試費用較高，為了降低成本，測試數(shù)量一般較為有限，從而造成獲取的物質(zhì)變化信息有所缺失。這樣，盡管分析大量的樣本并不一定意味著會獲得較高的精度，但是地質(zhì)學(xué)家一般都傾向于這樣操作，特別是在分析自然災(zāi)害時更是如此。本研究的目標(biāo)是開發(fā)新的方法，對松散物質(zhì)（如第四紀(jì)沉積物）中的細粒成分進行定量，在野外進行地質(zhì)填圖的同時完成這一工作，獲得比視覺或觸覺判斷更為準(zhǔn)確和可靠的信息，當(dāng)然，可能難以達到實驗室精度（ASTMD，2488-06）。提出這一方法，并非是要取代實驗室分析方法，只是當(dāng)實驗室測試費用較高（與樣本數(shù)量有關(guān)）或者必須在野外直接獲得測試結(jié)果時，可以采用這一方法。這樣的測試操作簡便，可以快速完成測樣工作。應(yīng)當(dāng)配備輕便設(shè)備，以免對隨后進行的地質(zhì)填圖工作造成影響。另外，需要指出的是，這些設(shè)備不需要電和大量的水。為了確定松散物質(zhì)面臨自然災(zāi)害（特別是滑坡和泥石流）時的脆弱性，描述其顆粒粒徑分布和塑性特征極為重要（Hungr等，2001）。在評價現(xiàn)有滑坡的潛在演化情況或者是繪制面臨新滑動的脆弱性時，這些參數(shù)都極為重要。在野外直接以一種定量、迅速和可靠的方法來描述這些參數(shù)，是滑坡填圖工作的一項重要的進步。二、分析方法一般而言，描述物質(zhì)的粗粒成分比較容易，而對細粒成分進行定量較難。目前采用的野外描述國際標(biāo)準(zhǔn)（ASTMD2488-06，SN670005a）是視覺和觸覺試驗，但是這樣只能進行主觀判斷，一些用于測試力學(xué)參數(shù)的微型野外設(shè)備，如微型Vane測試儀（Torvane）或微型貫入儀（Zimbone等，1996；Moore，1997；Titi等，2000），也無法直接進行細粒成分描述。不過，將來的實驗設(shè)備有望對水與粘土界面進行測試。（一）沉積物測定目前，一般采用沉積物測定法來描述砂粒特征，因為這一方法較為適用于野外描述。GEOLEP方法是由Andreasen的吸液管實驗發(fā)展而來的，吸液管實驗是一種標(biāo)準(zhǔn)的實驗室實驗（ASTMD422-63，SN670818），其基礎(chǔ)是Stokes定律，見式（1），表示了球形顆粒的速度v，用重力作用下的比重γp，液體比重γw，動態(tài)粘滯度η和半徑r來表示：v=2/9*[r2*(γp-γw)*g]/η（1）但是對于確定野外最細組分的特征，特別是粘土成分，這一方法不適用，因為使這些顆粒沉積下來所需的時間太長。（二）亞甲基藍吸附亞甲基藍吸附方法還可以描述所研究物質(zhì)的塑性和水敏性。通常采用Atterber極限方法在實驗室確定松散物質(zhì)的塑性特征（Atterberg，1911），但是在野外條件下，這一測試方法（需要采用干燥箱進行一系列操作）不適用，于是開始研究采用亞甲基藍方法間接地確定塑性特征。這一有機染料（C16H17CIN3S?xH2O）可以通過極性鍵，將其自身固定在粘土礦物上，與水分子的作用方式類似。長期以來，亞甲基藍主要應(yīng)用于測量粘土表面積（Johnson，1957；PhamThiHang和Brindley，1970），直到上世紀(jì)70年代末，才有人提出采用這一物質(zhì)來進行土壤分類（Tran，1977；Magnan和Youssefian，1989；Tourenq和Tran，1989；Benaben等，1989）。其后，一些國家采用這一方法作為一種標(biāo)準(zhǔn)方法（ASTM，1984；AFNOR，1993）。亞甲基藍值vB，采用覆蓋粘土表面積的甲基藍溶液（10g/L）的質(zhì)量mBa與樣品干重mds的比值來表示，見式（2）：vB=mBa/mds（2）三、新的野外方法最近幾年，工程和環(huán)境地質(zhì)實驗室進行了一些研究，目的是開發(fā)一些新的方法，逐漸實現(xiàn)實驗室方法在野外的應(yīng)用。（一）取樣直接從最近形成的露頭取樣，去除表層物質(zhì)后，樣品重量在100~200g。如果沒有這種露頭，則可以采用螺旋鉆機進行鉆孔取樣，以一種較為簡單的方法，從地面下約1m處取樣。這種設(shè)備要較為輕便，易于在地質(zhì)填圖時攜帶到現(xiàn)場。在任何情況下，都要避免在地面上部取樣，因為這一部分會受成土作用的影響，同時要避免取到植物根系或其他有機物質(zhì)。（二）樣品準(zhǔn)備工作在實驗前，對樣品無需作太多處理。但是對濕樣品，需要進行初步篩分，因為試管的直徑只有1cm，篩分后，在將粒徑為幾毫米的顆粒放入試管后，不會擾動沉淀作用，一般選擇篩子尺寸為0.5mm。在本文，在顆粒測定的概念中，用到了術(shù)語“基質(zhì)”。（三）沉積測量法關(guān)于沉積測量法，對Andreasen吸液管程序所作的主要修改工作如下：無需對懸浮液中的樣品顆粒進行烘干和準(zhǔn)確稱重，就可以直接測量沉積物的沉降體積。例如，如果想對砂粒含量進行定量，可以計算顆粒半徑r等于泥沙粒徑的顆粒從總長度為hf的試管下沉所需的時間t，見式（3）：t=9/2*(hf*η)/[(r2*(γp-γw)*g)]（3）之后，假定時間t之后的沉積物體積與樣品的砂粒含量成正比。顯然，在停止攪動時，粒徑較小的顆粒已經(jīng)下沉到試管的底部，會被認為是沉積物，這樣意味著存在必然的不準(zhǔn)確性，這是方法所固有的。然而，所產(chǎn)生的誤差相對來說較小，不會對所得到的粒度分布產(chǎn)生影響。（四）亞甲基藍吸附傳統(tǒng)亞甲基藍染色滴定試驗，在野外操作不便，應(yīng)改為直接將樣品注入到事先調(diào)整好亞甲基藍體積的容器中，攪拌幾分鐘后，亞甲基藍分子吸附在粘土表面，之后測量殘留在溶液中過剩的亞甲基藍體積。（五）亞甲基藍與沉積測量法聯(lián)用Pouyt提出將亞甲基藍與沉積測量法聯(lián)合利用，這樣可以在野外直接獲得定量結(jié)果，誤差在可以接受范圍。然而，表現(xiàn)樣品特征所需的時間較長，約為45min，在繪圖工作時這一方法具有一定局限性。（六）GEOPEP方法開發(fā)優(yōu)化方法（GEOPEP方法）時，對測試程序進行重點考慮，可以縮短分析時間，而且不會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過多次嘗試，最終確定了如下方案（圖1）：1．在同一裝置中進行沉積測量和亞甲基藍吸附實驗，以節(jié)省時間并且可以使用盡可能少的設(shè)備；2．這一操作意味著沉積測量工作是在亞甲基藍而非水懸浮液中進行的，除了在深色的亞甲基藍溶液中對沉積量讀數(shù)時會略顯困難以外，這一操作并不會造成問題。而且即使讀數(shù)困難，也可以通過照明試管解決，例如在讀數(shù)時開一盞高熱燈；3．每個樣品都要使用單獨的試管，并且要提前做好準(zhǔn)備，這樣可以節(jié)省調(diào)整亞甲基藍體積的時間和精度；4．?dāng)嚢韬?，并非采用如Pouyt提出的通過過濾作用來除去懸浮顆粒的方法，而是加入絮凝劑，從而使這些顆?？梢院芸斐猎谠嚬艿撞浚@樣也可以最大限度地減少所需的時間和設(shè)備；5．加入絮凝劑，這樣在采用沉積測量法時不要加入抗絮凝劑，以免干擾絮凝作用。然而，沉積量差異以及是否加入絮凝劑對結(jié)果影響并不大，這是因為在攪拌樣品時會破壞顆粒團；6．改變試管形狀也可以節(jié)省時間。一般選擇漏斗狀的試管，這是由于這種試管直徑較大的部分在較高位置，便于加入樣品，并且可在其中放入磁力攪拌棒，這樣可以使用磁力攪拌器，無需進行手動攪拌；另外，這種較低位置直徑較小的試管有助于保證進行沉積物體積讀數(shù)的精度；7．為了簡化操作，隨后對樣品質(zhì)量ms和體積Vs進行了測量。為此，在試管上會標(biāo)出兩種不同的體積刻度，其中一種刻度向上，測量沉積物的沉積量Vsed；另一種刻度向下，測量加入的樣品體積Vs；8．由于在攪拌階段亞甲基藍會形成泡沫，Vs的讀數(shù)可能明顯不準(zhǔn)確，這個問題可以通過加入防沫劑解決；實驗結(jié)果表明，這種添加劑不會干擾亞甲基藍在粘土表面的吸附；9．在測量亞甲基藍濃度之前，稀釋過剩的亞甲基藍溶液，這樣可以提高區(qū)別高濃度甲基藍色彩的能力；10．通過視覺比較而非濾紙測定過剩的亞甲基藍濃度更為方便，而且可以進行較為精確地判定，這樣操作簡單而且重現(xiàn)性好?？梢圆捎眯⌒偷谋銛y式光度計進行試驗，但是這種設(shè)備昂貴，而且相對較重，不易帶到野外進行操作。因此，通常采用視覺比較方法來解決這一問題。圖1亞甲基藍測試程序（七）校準(zhǔn)和結(jié)果計算根據(jù)GEOLEP方法進行實驗后，需要進行計算。根據(jù)測量值，可以通過以下方式得到計算結(jié)果：1．根據(jù)樣品的質(zhì)量ms和體積Vs計算樣品的含水量%H2O，之后根據(jù)式（4），可以得到樣品的干重mds（固體顆粒的質(zhì)量）：mds=[γp*（ms-γw*Vs）/(γp-γw)]（4）式中，γp是固體顆粒的比重（2.67g/cm3）；γw是樣品中水的比重（1.0g/cm3）。%H2O=[(ms-mds)/mds]*100（5）2．根據(jù)式（3）計算粒徑為0.2mm和0.06mm顆粒沉降的預(yù)置時間t0.2和t0.06，試管的最大沉降高度hf為20cm，結(jié)果表明，t0.2=5s，t0.06=1min。3．之后根據(jù)沉積物的沉降速度Vsed（在預(yù)置時間內(nèi)進行測量）和樣品的干重，計算粒徑分數(shù)Fg，見式（6）：Fg=100-[(mdsed/mds)*100]=100-[100*[Vsed*(mdsed/Vsed)]/mds]（6）在計算時，需要考慮沉積物干重mdsed與體積Vsed比率的標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過多次實驗和計算，對于處于t0.2和t0.06的沉積物，(mdsed/Vsed)std分別為1.05g/cm3和1.15g/cm3，與實際情況吻合。已知沉積物的沉降體積（經(jīng)過5s和1min后的V0.2和V0.06）和樣品的干重，可以根據(jù)式（7）和式（8）計算%<0.2和%<0.06：%<0.2=100-[(V0.2*1.05)/mds*100]（7）%<0.06=100-[(V0.06*1.15)/mds*100]（8）4．根據(jù)亞甲基藍過剩濃度稀釋值[B]dil和樣品的干重，可以計算亞甲基藍值vB*：vB*=mBa/mds（9）mBa=(1000*mdBa*γB)/[B]def（10）式中，mdBa是吸收的亞甲基藍干重（g）；[B]def亞甲基藍濃度，用于確定式（2）中的vB（=10g/L）；γB亞甲基藍（10g/L）的比重（g/cm3）。mdBa=(0.001*VBi*[B]i)-（0.001*[B]dil*fdil*VIt）（11）VIt=VBi+Vf+[Vs-(mds/γp)]（12）式中，VBi是試管中亞甲基藍的初始體積（mL）；[B]i是亞甲基藍初始濃度（g/L）；fdil是將試管中溶液轉(zhuǎn)移到小細頸瓶的稀釋倍數(shù)；VIt試管中液體總體積（mL）；Vf是加入的絮凝劑體積（mL）。在計算過程中，一些參數(shù)的給定值如下所示：γp=2.67g/cm3fdil=400γw=1.00g/cm3Vf=2mLγB=1.0g/cm3[B]def=10.0g/LVBi=40.00mL[B]i=10.0g/L這樣可以根據(jù)式（13）計算亞甲基藍值vB*：vB*=[(2.67*[B]dil*Vs)-([B]dil*ms)+(70.14*[B]dil)-1.67]/[2.67*(Vs-ms)]（13）5．需要指出的是，vB*是一個相對值，需要進行校正，以與文獻中的vB*絕對值進行比較。根據(jù)這一優(yōu)化方法，在野外可以在15分鐘內(nèi)分析樣品一次。四、結(jié)果為了測試GEOPEP方法的性能、局限性、可靠性和不確定性，選擇幾種參考樣品進行了實驗，以與現(xiàn)場結(jié)果進行比較。（一）參考樣品的選擇在瑞士西部不同地區(qū)和不同巖性中選擇了13種參考樣品，除了一個樣品是取自磨拉石以外，其余樣品均取自松散的第四紀(jì)物質(zhì)中。這些樣品具有不同的地質(zhì)類型、粒徑、基質(zhì)豐度和粘土含量等。對于不同的地質(zhì)環(huán)境（如火山），應(yīng)用這一方法時，需要至少進行一次新的校準(zhǔn)，而且亞甲基藍的體積和（或）樣品的數(shù)量也許也需要進行相應(yīng)調(diào)整。（二）相關(guān)性研究的統(tǒng)計學(xué)分析對所有野外測試結(jié)果的回歸值系統(tǒng)計算，之后計算測量值和回歸估計值的偏差。假定這些變異以高斯方式分布，計算每一相關(guān)性中這些偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。當(dāng)偏差低于或等于2σ，則在回歸線（或曲線）兩側(cè)表現(xiàn)為灰色區(qū)域，真值具有95%的概率落入±2σ區(qū)間范圍內(nèi)。（三）與采用過量亞甲基藍吸收實驗結(jié)果進行比較按照同樣的方法，通過在實驗室測量過量的亞甲基藍與GEOLEP方法的結(jié)果進行比較，當(dāng)然由于實驗室儀器具有較高精度，實驗室方法更為可靠。實驗室測試程序如下：1．將樣品進行篩分，粒徑為0.5mm，之后在110℃的烘箱中烘干12小時以上；2．取10.00g篩分烘干后的樣品加入到100.00mL（濃度為10g/L）的亞甲基藍水溶液中；3．在磁力攪拌器中至少攪拌8小時；4．用45μm的尼龍針頭過濾器進行過濾；5．稀釋過濾后的亞甲基藍溶液（取1.00mL溶液到99.00mL水中），以適合分光光度計的分析范圍；6．用分光光度計在700nm處測量稀釋溶液，在700nm吸收峰最大（Bergmann和O’Konski，1963），濃度分析范圍最寬；7．根據(jù)這一吸收測量結(jié)果，可以計算稀釋后的亞甲基藍過量濃度（根據(jù)校準(zhǔn)曲線）；8．最后，根據(jù)稀釋后的亞甲基藍過量濃度、初始濃度和樣品質(zhì)量，計算亞甲基藍指數(shù)vB。野外和實驗室測得的亞甲基藍值相關(guān)性很好（R2=0.89），說明在野外進行簡化操作，對結(jié)果影響不大。然而，對于同樣的樣品，野外實驗比實驗室獲得的亞甲基藍值要小一些，這一點也并不奇怪，因為在實驗室要進行8個小時的實驗，而在野外僅需5分鐘?；貧w斜率近似為1，樣品之間的差異可以在實驗室識別出來，這樣可以將原位亞甲基藍值vB*作為相對測量值。如果想獲得絕對亞甲基藍值，如為了與文獻中的亞甲基藍值進行比較，需要采用回歸等式對原位亞甲基藍值進行校正。對同一樣品進行一系列野外測試，重現(xiàn)性不是很好，特別是亞甲基藍濃度高的時候。這可能是由于即使經(jīng)過攪拌，也有部分顆粒聚集在一起（特別是對于塑性樣品），從而使得亞甲基藍很難完全吸附在這些顆粒上，另外有可能存在讀數(shù)誤差。（四）與亞甲基藍染色實驗比較采用參比樣品進行亞甲基藍染色實驗，來表示野外和實驗室實驗結(jié)果之間的聯(lián)系。采用法國標(biāo)準(zhǔn)NF-P94068（AFNOR，1993）程序來進行比較。這一相關(guān)指數(shù)（R2=0.73）相對較低，相關(guān)性較差，原因是：其一，野外實驗的重現(xiàn)性差，其二，沒有重復(fù)進行染色實驗。Chiappone等（2004）指出，在確定染色實驗的滴定終點時，存在一定的主觀性。（五）與Atterberg限度實驗結(jié)果相比較Atterberg限度實驗通?？梢源_定塑性特征，需要考慮含水量、液態(tài)、塑性態(tài)和固態(tài)的邊界。用含水量表示的塑性指數(shù)Ip，可以表示物質(zhì)塑性場的延伸范圍（Atterberg，1911），通過液限wl減去塑限wp獲得。按照瑞士標(biāo)準(zhǔn)SN670345方法，測量參考樣品的Atterberg限度，這一標(biāo)準(zhǔn)方法與國際標(biāo)準(zhǔn)D4318-05很接近（ASTM，2005）。根據(jù)稠度界限實驗計算的塑性指數(shù)，可以作為參考值，其不確定性在±0.5%（Mathier和Gruaz，2005）。這些結(jié)果很大程度上取決于操作人員的“感覺”，獲取液限和塑限時的誤差會體現(xiàn)在塑性指數(shù)Ip。顯然，亞甲基藍值和塑性指數(shù)是兩個不同的指標(biāo)，在一些文獻中可以找到如何計計算vB和Ip的相關(guān)性（Lautrin，1987，1989；Chiappone等，2004）。在本文中，根據(jù)vB和Ip的關(guān)系可以看出，這是一種非常有效的方法，可以提供Ip的一級近似值，然而，標(biāo)準(zhǔn)偏差相當(dāng)高（2σ=6.65%）。（六）根據(jù)X射線衍射分析計算與整個表面的聯(lián)系通過X射線衍射測量（XRS），計算樣品的粘土豐度，這一工作是在洛桑大學(xué)的X射線衍射實驗室進行的，詳細過程參見Jaboyedoff和Thelin（1996）的文獻。首先是除去碳酸沉積物中粒徑小于2μm的組分，之后采用乙二醇圖的001峰測量結(jié)晶類物質(zhì)的豐度，需要假定一種礦物的001峰相對強度與樣品的豐度成正比。根據(jù)Mitchell（1993）提出的表面積值相應(yīng)的粘土類豐度計算粘土總表面積。原位亞甲基藍測量值和XRD計算的表面積相關(guān)系數(shù)R2為62%。盡管這兩個變量之間存在直接聯(lián)系，但是相關(guān)性并不是太好。樣品中含有一些有機物可能會對測量結(jié)果造成一定影響，事實上，即使可以避免在上部土層取樣，受成土作用的影響，也并不能完全排除樣品中含有機物；另外，在野外，似乎也不可能從樣品中提取出這些有機物。亞甲基藍以與吸附在粘土表面類似的方式吸附在有機物表面，樣品中的有機物（即使含量不超過百分之幾），會對亞甲基藍的吸附量造成很大影響。根據(jù)XRD計算的表面積沒有考慮有機物的活性表面，可以認為是相關(guān)性較差的原因，這一點可以參考Koscielny（2006）的文獻，其中分析了液限、塑限和樣品有機質(zhì)含量之間的關(guān)系。按照同樣的方式，測試了碳酸鹽含量對樣品的影響。結(jié)果表明，亞甲基藍值不僅是樣品中粘土含量的函數(shù)，也是粘土種類的函數(shù)。例如，樣品LO2的粘土含量不足EU1的一半，但其亞甲基藍值明顯要高。通過比較兩個樣品的粘土種類，發(fā)現(xiàn)樣品LO2相對富含蒙脫石（具有非常重要的內(nèi)部和外部表面積），而EU1主要含有伊利石和少量綠泥石，僅可以在其外表面吸附水或亞甲基藍。（七）與實驗室粒徑分布測量值比較對參考樣品的粒徑分布和沉積體積測量工作在土壤力學(xué)實驗室完成，之后根據(jù)粒徑分布曲線，可以得到粒徑小于0.2mm和小于0.06mm的粒組值，并且可以與野外測試結(jié)果進行比較。此處獲得的相關(guān)性表現(xiàn)出不可忽略的離散性（對于粒徑小于0.2mm和小于0.06mm的粒組值，R2分別為75%和72%），但是這樣獲得的結(jié)果仍比定量結(jié)果要準(zhǔn)確。Pouyt研究表明，通過這一實驗表明，可以采用Bonnet-Staub（2001）分級方法確定泥石流的敏感性特征。然而，如果必須提供精確值，顯然需要進行實驗室分析。相關(guān)性不理想，部分可能是由于所選擇方法的固有性質(zhì)決定的，這一方法忽略了沉積物中的細