三峡库区泥灰质岩石及其残坡积土化学成分及粘土矿物的定量研究

注: 本文为三峡移民开发局基金项目( 编号 9707, 9904) 资助的部分成果。 收稿日期: 2004-01-29; 改回日期: 2004-08-06; 责任编辑: 刘淑春。 作者简介: 张加桂, 男, 1962 年生。博士后, 研究员。从事构造和岩溶地质灾害研究。通讯地址: 100081, 北京大慧寺 20 号, 中国地质环境监测院; 电话: 010—62171333。
编号 取样地点
岩石名称
粘土矿物相对含量( % )
混层比( % , S ) < 2 m
S I/ S I K C C/ S K / S I/ S C/ S K / S ( % ) S
粘土矿物绝对含量( % ) I/S I K C C/ S K/S
K2 巫山石膏岭 深灰色泥质灰岩 6 10 70 2 3 9
表 3 三峡库区泥灰质岩石形 成的残坡积土的成分、水理及力学测试结果 Table 3 Test results of content, hydro property and mechanics on the residual soils of marly stones
in Three Gorges Reservoir region
编号
取样地点
岩石名称
Ca CO 3
化学成分( %)
(%)
CO 2
CaO
M gO SiO 2 A l 2O 3 F e2O 3 F eO
F e2O 3 F eO
K2
巫山石膏岭 深灰色泥质灰岩 86. 24 40. 16 51. 06 3. 01 3. 37 0. 71 0. 36 0. 20
K 49 奉节 ZK 2-2
25 40
3. 30 0. 20 0. 33 23. 1 0. 07 0. 10 0. 30
K 49 奉节 ZK 2-2 暗绿色泥灰岩
28 47 6 14 5
25 40
17. 80
4. 98 8. 37 1. 07 2. 49 0. 89
K14 巫山公安局 棕红色钙质泥岩
44 37 1 2 16
25 40
1 泥灰质岩石风化过程及其形成的次 生岩土类型
三峡库区三叠系巴东组泥灰质岩石分为四段, 其中第一段( T 2b1 ) 和第三段( T 2b3) 主要为深灰色泥 质灰岩和泥灰岩; 第二段( T 2 b2 ) 和第四段( T 2b4 ) 主 要为紫红色含钙泥岩和粉砂质泥岩。在泥灰质岩石 中, 泥质灰岩和泥灰岩分布最广。在三峡库区, 泥灰 质岩石遭受的风化作用强烈, 风化形式复杂。
不同的环境产生不同的残坡积土类型。在深部 还原环境下, 泥灰质岩石遭受层间错动和溶蚀形成 杏黄色泥质条带; 在地表氧化环境下, 泥灰质岩石遭 受表生作用形成棕黄色泥砾层、褐黄色泥砾层、红褐 色粘土和黄褐色膨胀土等。
2. 1 样品选取及样品特征 根据泥灰质岩石的风化程度, 选取了其中的 3
个岩石样和 7 个土样。在 10 个样品中, 前 9 个样品 取自泥质灰岩或泥灰岩的风化岩石或残坡积土, 它 们 代表 了 不 同 风 化 阶 段 的 产 物, 最 后 一 个 样 品 ( K 19) 取自巴东组第二段( T 2b2) 紫红色泥岩受层间 剪 切 作 用 形 成 的 泥 化 层。 K 2、K 49、K 14 、K 4 4、K 16 和 K6 为全岩样, K17、K58、K61 和 K19 为筛选的细 粒样( 表 1, 表 2, 表 3) 。7 个样品取自巫山, 3 个样品 取自奉节, 具体如下:
地 质 论 评
2005 年
这里所说的泥灰质岩石的风化作用主要是化学 风化作用, 包括溶蚀作用、水化、水解和氧化作用。由
2 样品选取及测试
于溶蚀作用, 岩石的 CaCO 3 降低; 由于氧化作用, 岩 石中 F eO 不断 转化为 F e( O H ) 3 胶体, 岩石的颜色 也由深灰色变为灰绿色→黄绿色→粉红色→棕红色 →黄褐色。风化作用可使深灰色泥质灰岩和泥灰岩 变为各种风化岩及次生的残坡积土。
在 0. 5 M Pa 荷载下固结后快剪测试结果( 容重 2. 2 g/ cm3, 含水量 15. 15% ) 。 带* 的 r 系根据文献( 李青云等, 1989) 中的公式 F r= 1/ ( 5. 313 - 162. 04/ B ) 算得 Fr ( 残余摩擦系数) , 然后换算出 r, B 为比表面积。! 蒙脱石含量是根据次甲基蓝有机染料选 择吸附法测得的, 为全岩( 全 土) 的绝对含量( % ) 。
第 2
51 卷 第2 005年3
期 月 地
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质
论
评 GE O L
OG
IC A L
R
EV
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W
V
ol. M
51 N o . 2 ar . 20 05
三峡库区泥灰质岩石及其残坡积土化学成分 及粘土矿物的定量研究
张加桂1, 2) , 曲永新3) 1) 中国地质科学院地质力学研究所, 北京, 100081; 2) 中国地质环境监测院, 北京, 100081
K17 样为杏黄色泥质条带中的泥质成分, 取自 巫山县新城风景管理局前, 它是库区广泛发育的一 种位于地下较深部位的软弱带( 张加桂, 2004b) , 是 泥质灰岩在还原环境下遭受溶蚀作用后的残余物。
红褐色粘土 59. 48 25. 85 33. 63 0. 00 16. 22 175. 17
7. 57
12. 9*
K16 巫山王家屋场 褐红色粘土 60. 50 28. 27 32. 23 16. 24 20. 38 182. 60
7. 27
12. 7*
K6 巫山翠屏路 黄褐色膨胀土 42. 93 20. 87 22. 06 2. 01 13. 86 138. 69 53. 0 5. 90 23. 5 43 13. 5 26
关键词: 泥灰质岩石; 混层矿物; 膨胀性粘土矿物; 三峡 库区
三峡库区三叠系巴东组( T 2b) 泥灰质岩石分布 区是三峡移民迁建的重要地基, 又是工程地质问题 非常复杂的地区。目前, 泥灰质岩石及风化层地基稳 定性问题已成了学术界关注和争议的焦点。自 1997 年以来, 笔者通过对奉节和巫山新城址几乎所有开 挖剖面的观察和测绘, 并结合钻探和物探结果的综 合研究, 得出了浅表层的巴东组泥灰质岩石经历了 构造破碎—长江切割、卸荷松动—岩溶作用—滑坡
22 0
第2期
张加桂等: 三峡库区泥灰质 岩石及其残坡积土化学成分及粘土矿物的定量研究
岭, 它保持着巴东组第三段( T 2b3) 原岩性状, 未遭受 风化。
K49 样为暗灰色泥灰岩, 取自奉节县宝塔坪赵 家梁子 ZK 2-2 钻孔, 是巴东组第三段( T 2b3) 原岩遭 受了轻微风化的产物。
K14 样为棕红色钙质泥岩, 取自巫山县新城公 安局背后, 是巴东组第三段( T 2b3) 原岩遭受了较强 烈风化的产物。
24. 10
10. 60 8. 92 0. 02 0. 05 3. 86
K17 巫山风管局 杏黄色泥质条带
70 25
5
65
28. 98
20. 29 7. 25
1. 45
K58 奉节三马山 棕黄色砂砾层
80 17 3
60
39. 61
31. 69 6. 73 1. 19
K61 巫山希望中学 褐黄色含砾粘土层
3) 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京, 100029
内容提要: 由于三峡库区三叠系巴东组( T 2b) 泥灰质岩石特殊的化学矿物组 成和所处亚热带湿热环境, 决定了 三峡库区移民迁建场地工程地质环境的复杂 性。通过泥灰质岩石及 其不同风化岩和残 坡积土的化学成分、粘土矿 物成分定 量研究和扫描电镜 观察, 揭示了 Ca CO 3 溶 蚀和粘土矿物富集 过程及粘土矿物的 复杂成分, 发 现了风化过 程 中伊利石( I ) 向伊 利石/ 蒙脱石( I/ S ) 混层粘土 矿物的转化, 解释了岩土工程 性质恶化的原因, 从而提高 了地质研 究和地质灾害研究的水平。
K19 巫山牛蹄窝西 紫红色泥化层 31. 78 17. 00 14. 78 9. 7 7. 94 129. 32
6. 20 16. 2 78 14. 5 43
注: 泥质物的性质、成分和 pH 值由中国科学院地质与地球物理研 究所工程地质实验室测试, 测试误差为±0. 005% 。 抗剪强度系重塑样
表 1 三峡库区三叠系巴东组( T2b) 泥灰质岩石化学成分测试结 果 Table 1 Chemical compositions of marly stones of Badong Formation, Middle Triassic ( T2b)
in Three Gorges Reservoir region
< 0. 9mm 泥质物的性质及成分
抗剪强度
编 取样地点
号
岩石名称
液限 (%)
塑限 (%)
塑性 指数
比表 CaC O3 蒙脱石 面积 (%) (%)
( m2/ g)
率
自 由
pH 值
%膨
胀
峰值强度
C ( °) ( kPa)
残余强度
r
Cr
( °) ( k Pa)
K17 巫山风管局 杏黄泥质条带 43. 60 21. 62 21. 98 31. 33 11. 12 105. 94
暗绿色泥灰岩
65. 32 28. 72 38. 48 0. 92 15. 76 10. 92 2. 91 0. 50
K14 巫山公安局 棕红色钙质泥岩 26. 25 11. 54 13. 80 1. 75 42. 90 12. 34 5. 33 0. 98
1. 80 5. 82 5. 44
注: 样品由中国科学院地质与地球物理研究所环境矿物测试室测试, CaCO 3 含量采用 0. 1 当量的稀盐酸滴定得出, 化学成分采用等粒 子光谱测试法, 测试误差为±0. 005% 。
成和混层比的变化, 这便带来了大量的残坡积土地
基问题。因此, 粘土矿物成分研究是认识地基问题的 出发点。据此, 笔者采集了泥灰质岩石及其残坡积土 样品, 采用 X-射线衍射技术对粘土矿物进行测试和 定量计算, 并结合化学成分测试和扫描电镜( SEM ) 观察, 以分析泥灰质岩石变化过程中粘土矿物的特 性及其与岩土工程性质的关系。
71 14 3
12
40 40
K 44 奉节 ZK 1-1
红褐色粘土
54 10 3
33 40
50
K16 巫山王家屋场 褐红色粘土
67 17 3 2 11
40 30
K6 巫山翠屏路 黄褐色膨胀土
71 4 3
21 50
50 32. 63
23. 17 1. 31 0. 98
6. 85
K19 巫山牛蹄窝西 紫红色泥化层 6 63 25
15
15 20
28. 25 1. 7 17. 80 7. 06
0. 28 1. 41
注: 粘土矿物相对含量和混层比由中国科学院地质与地球物理研究所 X -射线衍射实验室测试, 采用专用软 件计算得出, 测试误差为±0. 5% ; < 2 m 颗粒含量采用移液管法颗粒组成分析仪测试, 测试误差 为±0. 005% 。S —蒙脱石, I/ S —伊利石/ 蒙脱石混层矿物, I—伊利石, K —高岭 石, C—绿泥石, C/ S—绿泥石/ 蒙脱石混层矿物, K / S—高岭石/ 蒙脱石混层矿物。混层比系蒙脱石占混层矿物的百分比( %)
K 2 样为深灰色泥质灰岩, 取自巫山县新城石膏
表 2 三峡库区泥灰质岩石及其残坡积土中粘土矿物 X-射线衍射定量分析结果 Table 2 X-ray analysis of clay minerals in marly stones and its residual soils in Three Gorges Reservoir region
—后期溶蚀风化的变化过程( 张加桂, 2001) 。由于泥 灰质岩石是一种介于碳酸盐岩和泥质岩的过渡类型
岩石, 具有灰岩和泥岩的双重特性, 当遭受构造破碎 后, 易于遭受风化, 在风化过程中, CaCO3 成分被溶 蚀, 泥质成分特别是粘土矿物富集和转化。泥质成分 的转化表现为大量具有膨胀性的混层粘土矿物的形
5. 80
14. 8*
K58 奉节三马山 棕黄色砂砾层 31. 72 15. 91 15. 81 58. 68 9. 74 121. 27
6. 70
14. 1*
K61 巫山希望中学 褐黄色含砾粘土层 54. 53 26. 43 28. 10
14. 27 191. 39
7. 97
12. 6*
K 44 奉节 ZK 1-1