用顯微孔隙變化評價造巖礦物斜長石的風(fēng)化度

用顯微孔隙變化評價造巖礦物斜長石的風(fēng)化度

巖石和土壤的風(fēng)化程度與物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。這項研究已進行了大量工作，并提出了許多相關(guān)風(fēng)化程度的方法和指標(biāo)（vik和縣，1987；席承藩，1991；irfn，1994；黃鎮(zhèn)國，1996）。這些方法體系大致可歸納為如下幾類:(1)礦物學(xué)法:如粘土礦物含量(Gillott,1968;Lumbetal.,1975;鄧時琴,1990)、石英和斜長石的含量比、黑云母與蛭石的含量比(朱照宇,1991;王清,1991)。(2)巖石化學(xué)法:各種氧化物含量比,如硅鋁比(SiO2/Al2O3)、堿金屬淋溶系數(shù)[Al2O3/(K2O+Na2O)](Ruxton,1968)、鋁鈣鈉系數(shù)[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)](Harnoistetal.,1988)、風(fēng)化潛力系數(shù)[100(K2O+Na2O+CaO+MgO-H2O+)/(SiO2+Al2O3+Fe2O3+TiO2+CaO+MgO+Na2O+K2O)](Reiche,1943)、風(fēng)化物系數(shù)[100SiO2/(SiO2+Fe2O3+TiO2+Al2O3)](Reiche,1943;Ruxton,1968)、靈敏系數(shù)[(K2O+Na2O+CaO)母巖-(K2O+Na2O+CaO)風(fēng)化巖/(K2O+Na2O+CaO)母巖](Irfan,1994)等。(3)物理學(xué)法:如巖土的顏色、地震波傳播速率(Dearmanetal.,1987)、聲波速率(Dearman,1984)、標(biāo)準(zhǔn)貫入值(黃志侖,1988)、點荷載值(向桂馥,1985)等。由此可見,風(fēng)化度的評價途徑非常之多,但比較常用的方法是巖石化學(xué)法。即便如此,由于風(fēng)化作用涉及的化學(xué)作用范圍之廣,其統(tǒng)一的化學(xué)指標(biāo)幾乎沒有,于是出現(xiàn)了上述眾多的化學(xué)評價指標(biāo)。實際上,在利用這些指標(biāo)進行風(fēng)化度判斷時,由于巖石的礦物成分復(fù)雜,還存在著不少問題,因此,風(fēng)化度評價問題仍舊處于百家爭鳴的地步?；◢徺|(zhì)巖石在我國及世界其他國家的分布十分廣泛。在我國,華南地區(qū)發(fā)育最為廣泛,其中,閩、粵兩省的分布面積達(dá)30%～40%,桂、湘、贛三省也達(dá)到了10%～20%(吳澄宇等,1989;黃鎮(zhèn)國,1996)。這些地區(qū)地處熱帶和亞熱帶,屬高溫多雨氣候,十分有利于富鋁化作用的形成,因而廣泛發(fā)育了呈紅色基調(diào)的風(fēng)化殼(即所謂的“紅色風(fēng)化殼”),其發(fā)育厚度可達(dá)20～60m。其中,香港地區(qū)的風(fēng)化殼厚度約為20～40m,最大可到60m(Irfan,1994)。因此,花崗質(zhì)巖石風(fēng)化問題是熱帶及亞熱帶地區(qū)面臨的主要地質(zhì)環(huán)境問題,也是本地區(qū)諸多滑坡、泥石流或水土流失災(zāi)害的主要載體。然而,本地區(qū)也是人口及人類工程的經(jīng)濟密集區(qū),地質(zhì)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾十分突出。因此,花崗質(zhì)巖石風(fēng)化度的精細(xì)評價問題是本地區(qū)普遍關(guān)注的科學(xué)問題。為此,筆者對香港地區(qū)廣泛發(fā)育的花崗巖風(fēng)化度問題展開了進一步的研究,并發(fā)現(xiàn)在全風(fēng)化帶(CDG)中不僅殘留了不少原生礦物,且風(fēng)化敏感性較高的鈉長石也不同程度地以殘骸的形式被保存了下來。因此,CDG中土的風(fēng)化程度也是有差異的。對這些差異性進行精細(xì)的風(fēng)化度鑒別與描述,對于全風(fēng)化帶的進一步分級、對于深化CDG工程特性的認(rèn)識、對于進一步發(fā)揮CDG的資源潛力、防止相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生,均具有十分重要的意義。1斜長石溶蝕度nf的表征包括鈉長石在內(nèi)的斜長石不僅是組成花崗質(zhì)巖石最主要的造巖礦物之一,亦是該類巖石中最不穩(wěn)定、抗風(fēng)化能力最差的造巖礦物。隨著化學(xué)風(fēng)化作用的深化,斜長石將被不斷地溶蝕,直到完全從土壤中消失。因此,這類礦物的溶蝕狀況可以作為火成巖風(fēng)化程度高低的標(biāo)識之一。觀察結(jié)果表明,CDG中斜長石的風(fēng)化過程,在外觀上主要有兩方面的變化:①外形由規(guī)整的長柱狀多邊形向不規(guī)則形轉(zhuǎn)變(圖1);②礦物內(nèi)部的孔隙由不發(fā)育向發(fā)育、由小到大轉(zhuǎn)變(圖2)。這兩方面的變化往往同步進行,只要抓住這些特征的變化,就可以進行風(fēng)化程度區(qū)分。為此,我們重點分析了斜長石這一標(biāo)志性風(fēng)化礦物的內(nèi)部孔隙變化規(guī)律,進而對風(fēng)化度做出精細(xì)評價。毫無疑問,斜長石內(nèi)孔隙的發(fā)育狀況,可以用其孔隙面積大小加以表征。為此,我們提出了“斜長石溶蝕度”(Nf)概念,其具體涵義如下:Nf=Σi=1nA(i)Am×100%Νf=Σi=1nA(i)Am×100%(1)其中:A(i)—被測礦物體內(nèi)的可見孔隙面積;n—被測礦物體內(nèi)的可見孔隙數(shù)量;Am—被測礦物的總面積。式(1)與土壤的體積孔隙度類似,但它測量的是單個礦物的孔隙度,不能反映整個土體的孔隙發(fā)育狀況。Nf的值域范圍為0～100,其值越大,表明被測礦物的孔隙越發(fā)育,溶蝕程度越高,風(fēng)化程度也就越高。2礦物孔隙度的檢測巖土礦物的形態(tài)借助于SEM觀察比較合適,因此Nf的量測將以SEM獲取的斜長石圖像為基礎(chǔ)。為取得統(tǒng)計結(jié)果,一般情況下,每個SEM樣本至少應(yīng)當(dāng)攝取至少3幅影像。對每幅影像的分析處理方法與步驟如下:(1)選定被測的礦物并用封閉的可辨別曲線將其外形勾畫出來(圖3a)。(2)將背景(即除被測礦物以外的部分)以過渡色(灰度)涂染,以便于突出檢測對象(圖3b)。(3)對被檢測對象(被測礦物)實施二值化處理,將礦物體內(nèi)孔隙全部(用黑色)標(biāo)識出來(圖3c)。(4)利用微結(jié)構(gòu)圖像分析計算機處理系統(tǒng)(MIPS)檢測礦物的總面積值和每個孔隙的面積值。(5)根據(jù)式(1)計算礦物體內(nèi)孔隙度。以上檢測工作主要依賴于微結(jié)構(gòu)圖像分析計算機處理系統(tǒng)完成,也可人工方法確定。技術(shù)方法簡單,一般圖像處理軟件均可達(dá)到目的,但若進行手工處理,其工作量(尤其是面積的統(tǒng)計)還是比較大的。3斜長石溶蝕度nf為了研究礦物孔隙度對于評價土壤風(fēng)化度的有效性,我們特意在香港馬鞍山(MAONSAN)地區(qū)的CDG剖面進行了精細(xì)的深度采樣。該剖面位于正在進行護坡工程的工地(圖4),取樣剖面高約3m,幾乎直立,為開挖土體留下的新鮮剖面,全部由CDG的風(fēng)化花崗巖殘積土構(gòu)成。取樣時,從坡頂向坡腳每隔10cm采集一個樣品。取樣工具采用φ8cm圓形鋼管,用錘擊方式將其壓入。取下的土樣用三層塑料薄膜包裹,貼上標(biāo)簽(記錄樣號、取樣深度等)后被小心保存。一共采集了22個樣品。將這些樣品進行了室內(nèi)SEM分析,其中每個樣品均截獲了至少3幅斜長石的SEM圖像。其試驗結(jié)果如圖5～7所示。其中圖5則為所有樣品的斜長石溶蝕度(Nf)隨深度(h)的變化情況;圖6為某一深度樣品的斜長石溶蝕度的平均值隨深度的變化情況;圖7為選定典型圖像對應(yīng)的斜長石溶蝕度隨深度變化圖。由這些試驗結(jié)果證明,斜長石溶蝕度(Nf)隨深度(h)的變化是有規(guī)律可循的?？傮w上看,它是隨深度加大而不斷減小的。但是,Nf隨深度的衰減并非線性衰減,而是上快下慢,呈自然指數(shù)衰減模式。兩者基本服從于如下變化規(guī)律:Nf=ae-bH(2)其中a,b為與土性有關(guān)的系數(shù),由試驗確定。就試驗樣品而言(圖5),CDG的斜長石溶蝕度的值域范圍是界于a-a′線和b-b′線之間。就其整體擬合曲線(圖中虛線)看,總體趨勢符合上述指數(shù)衰減規(guī)律,其中a,b取值分別為109.73和0.00776。這樣的變化趨勢在圖6和圖7中亦有一定反映,但由于樣品的個數(shù)影響,其規(guī)律性不如圖5明顯。從圖5還可以看到,斜長石溶蝕度在剖面上主要由兩個數(shù)據(jù)群構(gòu)成,即A和B兩群,它們反映了兩個具有不同風(fēng)化度的群體。A、B兩群在深度方向上的分界大致在115cm,即線c-c′;對應(yīng)的風(fēng)化度界限大致為40%(圖5中d-d′線)。根據(jù)這些特征,我們可將該剖面的CDG進一步劃分為Ⅰ和Ⅱ兩類,其主要特征如表1所示。利用上述評測原理,我們還對采自香港石硤尾(SKM)和觀塘(KT)的CDG樣品進行了斜長石溶蝕度檢測,其結(jié)果如圖8、圖9所示。從圖8、9可以看到,兩地的斜長石溶蝕度值一般在15%～65%之間,并以15%～45%為眾。其中,石硤尾的斜長石溶蝕值普遍高于觀塘,前者的平均值為42.1%,后者的平均值為24.7%。由此可見,石硤尾的風(fēng)化程度應(yīng)當(dāng)比觀塘高,土體的穩(wěn)定性前者不如后者也是合理的。4研究的基本內(nèi)容根據(jù)對香港馬鞍山、石硤尾和觀塘的花崗巖CDG土壤的斜長石礦物的溶蝕特征研究,取得的主要結(jié)論如下:(1)以斜長石內(nèi)孔隙的發(fā)育狀況提出的“斜長石溶蝕度”概念,可以較好地反映土體的風(fēng)化程度大小,可作為評價土體風(fēng)化度的新指標(biāo)。(2)即使在CDG范圍內(nèi),土壤的風(fēng)化差異性也是比較顯著的,并且可以用斜長石溶蝕度加以精細(xì)刻畫。(3)隨著殘積土深度的加大,斜長石的溶蝕度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)規(guī)律逐漸減小,由此體現(xiàn)的風(fēng)化作用規(guī)律也應(yīng)當(dāng)與之一致。(4)就觀塘和石硤尾兩地的風(fēng)化程度而言,后者明顯地比前者要高,兩地表現(xiàn)出的土壤性能和邊坡穩(wěn)定性差異主要由風(fēng)化程度不同所致。(5)借助于SEM的斜長石溶蝕度評價法與巖石化學(xué)法相比,具有快速、簡捷、經(jīng)濟等優(yōu)點,是一種有前景的