用顯微孔隙變化評價造巖礦物斜長石的風化度

用顯微孔隙變化評價造巖礦物斜長石的風化度

巖石和土壤的風化程度與物理、化學和力學性質密切相關。這項研究已進行了大量工作，并提出了許多相關風化程度的方法和指標（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)巖石化學法:各種氧化物含量比,如硅鋁比(SiO2/Al2O3)、堿金屬淋溶系數[Al2O3/(K2O+Na2O)](Ruxton,1968)、鋁鈣鈉系數[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)](Harnoistetal.,1988)、風化潛力系數[100(K2O+Na2O+CaO+MgO-H2O+)/(SiO2+Al2O3+Fe2O3+TiO2+CaO+MgO+Na2O+K2O)](Reiche,1943)、風化物系數[100SiO2/(SiO2+Fe2O3+TiO2+Al2O3)](Reiche,1943;Ruxton,1968)、靈敏系數[(K2O+Na2O+CaO)母巖-(K2O+Na2O+CaO)風化巖/(K2O+Na2O+CaO)母巖](Irfan,1994)等。(3)物理學法:如巖土的顏色、地震波傳播速率(Dearmanetal.,1987)、聲波速率(Dearman,1984)、標準貫入值(黃志侖,1988)、點荷載值(向桂馥,1985)等。由此可見,風化度的評價途徑非常之多,但比較常用的方法是巖石化學法。即便如此,由于風化作用涉及的化學作用范圍之廣,其統(tǒng)一的化學指標幾乎沒有,于是出現了上述眾多的化學評價指標。實際上,在利用這些指標進行風化度判斷時,由于巖石的礦物成分復雜,還存在著不少問題,因此,風化度評價問題仍舊處于百家爭鳴的地步?；◢徺|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30%～40%,桂、湘、贛三省也達到了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)育了呈紅色基調的風化殼(即所謂的“紅色風化殼”),其發(fā)育厚度可達20～60m。其中,香港地區(qū)的風化殼厚度約為20～40m,最大可到60m(Irfan,1994)。因此,花崗質巖石風化問題是熱帶及亞熱帶地區(qū)面臨的主要地質環(huán)境問題,也是本地區(qū)諸多滑坡、泥石流或水土流失災害的主要載體。然而,本地區(qū)也是人口及人類工程的經濟密集區(qū),地質環(huán)境與社會經濟發(fā)展的矛盾十分突出。因此,花崗質巖石風化度的精細評價問題是本地區(qū)普遍關注的科學問題。為此,筆者對香港地區(qū)廣泛發(fā)育的花崗巖風化度問題展開了進一步的研究,并發(fā)現在全風化帶(CDG)中不僅殘留了不少原生礦物,且風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中土的風化程度也是有差異的。對這些差異性進行精細的風化度鑒別與描述,對于全風化帶的進一步分級、對于深化CDG工程特性的認識、對于進一步發(fā)揮CDG的資源潛力、防止相關災害的發(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的斜長石不僅是組成花崗質巖石最主要的造巖礦物之一,亦是該類巖石中最不穩(wěn)定、抗風化能力最差的造巖礦物。隨著化學風化作用的深化,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化程度高低的標識之一。觀察結果表明,CDG中斜長石的風化過程,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)則形轉變(圖1);②礦物內部的孔隙由不發(fā)育向發(fā)育、由小到大轉變(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,就可以進行風化程度區(qū)分。為此,我們重點分析了斜長石這一標志性風化礦物的內部孔隙變化規(guī)律,進而對風化度做出精細評價。毫無疑問,斜長石內孔隙的發(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)—被測礦物體內的可見孔隙面積;n—被測礦物體內的可見孔隙數量;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。為取得統(tǒng)計結果,一般情況下,每個SEM樣本至少應當攝取至少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,將礦物體內孔隙全部(用黑色)標識出來(圖3c)。(4)利用微結構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)根據式(1)計算礦物體內孔隙度。以上檢測工作主要依賴于微結構圖像分析計算機處理系統(tǒng)完成,也可人工方法確定。技術方法簡單,一般圖像處理軟件均可達到目的,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的風化花崗巖殘積土構成。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的斜長石溶蝕度隨深度變化圖。由這些試驗結果證明,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為與土性有關的系數,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據群構成,即A和B兩群,它們反映了兩個具有不同風化度的群體。A、B兩群在深度方向上的分界大致在115cm,即線c-c′;對應的風化度界限大致為40%(圖5中d-d′線)。根據這些特征,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,石硤尾的風化程度應當比觀塘高,土體的穩(wěn)定性前者不如后者也是合理的。4研究的基本內容根據對香港馬鞍山、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,取得的主要結論如下:(1)以斜長石內孔隙的發(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化程度大小,可作為評價土體風化度的新指標。(2)即使在CDG范圍內,土壤的風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刻畫。(3)隨著殘積土深度的加大,斜長石的溶蝕度呈現指數函數規(guī)律逐漸減小,由此體現的風化作用規(guī)律也應當與之一致。(4)就觀塘和石硤尾兩地的風化程度而言,后者明顯地比前者要高,兩地表現出的土壤性能和邊坡穩(wěn)定性差異主要由風化程度不同所致。(5)借助于SEM的斜長石溶蝕度評價法與巖石化學法相比,具有快速、簡捷、經濟等優(yōu)點,是一種有前景的