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紅層細(xì)碎屑巖遇水崩解微觀機(jī)理的試驗研究

2020-06-29 05:28鄧仕騏李遠(yuǎn)耀王寧濤王騰飛
安全與環(huán)境工程 2020年3期
關(guān)鍵詞:巖樣微觀礦物

鄧仕騏,李遠(yuǎn)耀,徐 勇,王寧濤,王騰飛

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地質(zhì)調(diào)查研究院,湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心(中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心),湖北 武漢 430205)

大陸紅層是一類在陸相沉積環(huán)境中形成的以紅色為主色調(diào)的碎屑巖層,其巖性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變[1]。紅層細(xì)碎屑巖是紅層中粉砂巖-泥巖系列的巖石,屬紅層軟巖,具有巖體強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力差、親水性強(qiáng)、易崩解等顯著特性,其工程地質(zhì)性質(zhì)差,常孕育滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。

前人對紅層細(xì)碎屑巖的崩解特性及機(jī)制已做了大量的研究。如:Gokceoglu等[4]認(rèn)為紅層軟巖耐崩解試驗循環(huán)次數(shù)為5次時最能體現(xiàn)其耐崩解性;左清軍等[5]、甘文寧[6]、葉火炎等[7]、宋彥輝等[8]、Koralegedara等[9]和Zhang等[10]的研究表明,紅層軟巖的物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等自身特性是影響其耐崩解性的主要控制因素,即微觀孔隙和黏土礦物等不穩(wěn)定礦物的增多和礦物結(jié)合體的連接性降低是導(dǎo)致紅層軟巖耐崩解性下降的重要因素;Zhang[11]認(rèn)為紅層軟巖的崩解包含從內(nèi)到外、從微觀到宏觀的一系列過程。在紅層軟巖物質(zhì)組分和微觀結(jié)構(gòu)變化測試方法研究方面,王倩等[12]、范學(xué)運(yùn)[13]介紹了利用X射線衍射測試紅層軟巖中黏土礦物含量的方法;許家良[14]介紹了利用掃描電鏡觀測紅層軟巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)和利用Matlab分析紅層軟巖相片的方法;林玉玲等[15]、苗得雨等[16]提出了提取紅層軟巖微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法。

綜上所述,前人目前的研究大多集中在影響紅層軟巖耐崩解特性的內(nèi)外因素方面,缺乏對巖石崩解過程中物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的演化過程的研究,也較少利用高精度的測試技術(shù)對巖石微觀層面進(jìn)行分析,且對巖石崩解過程微觀機(jī)理的闡述不足。為此,本文選取湖南桑植縣滿家坡滑坡的紅層細(xì)碎屑巖作為研究對象,通過開展耐崩解試驗、X射線衍射試驗和掃描電鏡試驗,對不同崩解循環(huán)后的紅層細(xì)碎屑巖巖樣的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析,探討紅層細(xì)碎屑巖遇水崩解的微觀機(jī)理及其演化過程,為進(jìn)一步揭示紅層滑坡破壞機(jī)理提供新的思路。

1 耐崩解試驗

1.1 巖石樣品采集

巖石樣品采自湖南桑植縣滿家坡滑坡(見圖1)邊界處的新鮮基巖露頭(見圖2),地層上屬中三疊統(tǒng)巴東組二段(T2b2),巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主[3],經(jīng)巖石薄片鑒定確定其主要礦物組成后定名為紅褐色中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖(見圖3),屬紅層細(xì)碎屑巖。

圖1 湖南桑植縣地理位置圖Fig.1 Geographical location map of Sangzhi County, Hunan Province

圖2 滿家坡滑坡紅層基巖采樣露頭Fig.2 Sampling outcrop red bed rock of Manjiapo landslide

圖3 粉砂質(zhì)泥巖薄片鑒定特征Fig.3 Identification characteristics of thin section of silty mudstone

1.2 試驗過程

耐崩解試驗采用中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土力學(xué)實驗中心的SCL-1型耐崩解儀,篩桶孔徑為1 mm,每3 s轉(zhuǎn)一次。試驗前,先將巖石樣品制成重為40~60 g、直徑為3~5 cm規(guī)格的小塊,共設(shè)置5組對比試驗組,每組8個巖樣,其中前4組巖樣用于測試耐崩解性指數(shù),第5組巖樣用于后續(xù)物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)試驗。

根據(jù)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)中規(guī)定的耐崩解試驗流程,首先將每組巖樣烘干并稱重,可得巖樣的初始重量,隨后將巖樣放入耐崩解儀中崩解10 min;一次崩解過程完成后,取出樣品烘干并稱重,持續(xù)重復(fù)以上步驟,進(jìn)行5次崩解循環(huán),并對最后剩余的巖樣稱重,即完成一次耐崩解試驗。按下式計算巖樣5次崩解循環(huán)的耐崩解性指數(shù)(Id5):

(1)

式中:M0為巖樣的初始干質(zhì)量(g);M5為5次崩解循環(huán)后剩余巖樣的干質(zhì)量(g)。

1.3 試驗結(jié)果分析

試驗完成后,可得到不同崩解循環(huán)后紅層細(xì)碎屑巖各組巖樣的剩余干質(zhì)量和耐崩解性指數(shù)(Id5),見表1。

由表1可知,滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣的5次崩解循環(huán)Id5值較低,各組巖樣的Id5值在35%~55%之間,平均值為48.086%。

表1 滿家坡滑坡紅層碎屑巖各組巖樣的耐崩解試驗結(jié)果Table 1 Result of slake durability test of the red bed fine classic rock samples from Manjiapo landslide

2 紅層細(xì)碎屑巖的物質(zhì)組成與微觀結(jié)構(gòu)試驗

以耐崩解試驗中第5組紅層細(xì)碎屑巖巖樣為研究對象,同樣進(jìn)行5次崩解循環(huán),取原狀樣和不同崩解循環(huán)完成后的巖樣作為后續(xù)開展物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)試驗的樣品,并依次編號為R0~R5,其中R0表示原狀樣,R1~R5分別表示第1次至第5次崩解循環(huán)后的巖樣。

2.1 崩解巖樣的物質(zhì)組成試驗

2.1.1 試驗儀器及過程

采用X射線衍射(XRD)相分析方法,測定不同崩解循環(huán)中巖樣的礦物組成,試驗儀器采用中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)調(diào)查實驗中心的Olympus XRD Terr X射線衍射儀。試驗時,先將巖樣磨成粉末,過200目篩后放入儀器中測試;測試完成后從儀器中導(dǎo)出數(shù)據(jù),利用Xpowder軟件進(jìn)行反演分析,最終得到對應(yīng)巖樣的XRD圖譜。滿家坡滑坡紅層碎屑巖原狀樣(R0)的X射線衍射(XRD)圖譜見圖4。

圖4 滿家坡滑坡紅層碎屑巖原狀樣(R0)的X射線衍射(XRD)圖譜Fig.4 X-Ray Diffraction (XRD) spectrum of the undisturbed red bed fine classic rock sample (R0) from Manjiapo landslide

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

不同崩解循環(huán)中滿家坡滑坡紅層碎屑巖巖樣的礦物組分及其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))變化,見表2。

由表2可知,本試驗紅層細(xì)碎屑巖包含9種主要礦物,結(jié)合其在巖石薄片中的礦物特征,根據(jù)礦物類型、礦物賦存特征可將其劃分為三大類,即碎屑組分、膠結(jié)物組分和黏土礦物組分,后兩者同時作為巖石的填隙物存在。碎屑組分粒徑較大,構(gòu)成巖石骨架;膠結(jié)物和黏土礦物作為填隙物充填于碎屑組分間,起聯(lián)結(jié)碎屑顆粒的作用。此外,該巖石中尚含有少量非晶質(zhì)組分,主要為未成晶型的硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)礦物,包括玉髓、方解石、赤鐵礦等[15],整體占比較小,約為7%左右。

表2 不同崩解循環(huán)中滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣的礦物組分及其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))變化Table 2 Mineral compositions and contents of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide in each disintegration cycle

2.2 崩解巖樣的微觀結(jié)構(gòu)試驗

2.2.1 掃描電鏡(SEM)相片獲取

SEM試驗采用中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室的FEI Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行。試驗前,先將巖樣加工成2 cm見方、兩面磨平的小方塊,R0~R5每樣各兩塊,分別對應(yīng)崩解巖石表面和新鮮面,以對比崩解過程中巖石內(nèi)外部的微觀結(jié)構(gòu)特征,共12塊巖樣。拍攝SEM相片時,在每塊巖樣上選擇3~4個點依次放大500倍、1 000倍、2 000倍進(jìn)行拍攝,巖樣R4的SEM樣片見圖5。

圖5 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣R4在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡(SEM)相片F(xiàn)ig.5 SEM images of the red bed fine clastic rock samples(R4) from Manjiapo landslide with different magnification

2.2.2 掃描電鏡(SEM)相片信息提取

本文利用Matlab軟件對紅層細(xì)碎屑巖巖樣的SEM相片進(jìn)行處理及信息提取,對其微觀結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行定量分析。

SEM相片信息提取流程主要包括預(yù)處理、圖像降噪、對比度增強(qiáng)、圖像二值化、圖像優(yōu)化、信息提取6個步驟[16]。經(jīng)處理后所獲得的巖樣R4的SEM圖像見圖6。

圖6 處理后滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣R4的SEM圖像Fig.6 SEM image of the processed red bed fine clastic rock samples(R4) from Manjiapo landslide

提取的巖石礦物顆粒微觀幾何參數(shù)包括:顆粒長軸長度LL、顆粒短軸長度LS、等面積圓顆粒周長S0、顆粒周長S、巖石孔隙率PO共5個。為了進(jìn)一步揭示巖石崩解過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化,引入了球度R和磨圓度PS兩個參數(shù)。

球度R和磨圓度PS均是刻畫巖石單個礦物顆粒微觀結(jié)構(gòu)的參數(shù)。球度的定義為巖石礦物顆粒的短軸長度LS與長軸長度LL之比,可作為衡量巖石礦物顆粒形態(tài)與球體接近程度的參數(shù),其數(shù)值范圍為(0,1],該參數(shù)越大,說明巖石礦物顆粒形態(tài)越接近球體。巖石表面的球度計算公式為

(2)

磨圓度的定義為巖石礦物顆粒周長S與等面積圓顆粒周長S0之比,可用來衡量巖石礦物顆粒邊界的粗糙程度,其數(shù)值范圍為[1,+∞),該參數(shù)越大,說明巖石礦物顆粒邊界越粗糙、棱角越多,反之則說明巖石礦物顆粒邊界越光滑、棱角越少。巖石表面磨圓度的計算公式為

(3)

2.2.3 試驗結(jié)果及分析

對所有紅層碎屑巖巖樣的SEM相片進(jìn)行處理后,可得到不同崩解循環(huán)后的滿家坡滑坡表面和新鮮面顆粒微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),見表3。

表3 不同崩解循環(huán)后的滿家坡滑坡表面和新鮮面顆粒微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Microstructure characteristics of the particles on surface and fresh face of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide after different disintegration cycles

注:表中巖石礦物顆粒長度、周長均以SEM相片中像素單元長為單位,一張SEM相片包含1 024×884個像素。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 紅層細(xì)碎屑巖的耐崩解性

本文以表1中不同崩解循環(huán)后紅層細(xì)碎屑巖各組巖樣的剩余干質(zhì)量(M0~M5)為縱坐標(biāo),以巖樣R0~R5對應(yīng)的崩解循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)作圖,可得滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖各組巖樣的剩余干質(zhì)量隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖7。

圖7 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖各組巖樣的剩余干質(zhì)量隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.7 Change curves of residual mass of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with the cycle times in disintegration

由圖7可見,各試驗組紅層細(xì)碎屑巖巖樣的剩余干質(zhì)量隨崩解循環(huán)次數(shù)的增加呈顯著降低趨勢,曲線折線在第1次崩解循環(huán)后出現(xiàn)了拐點,曲線前后斜率存在較明顯的差異,表明在整個崩解過程中第1次崩解循環(huán)對巖樣質(zhì)量的減少起主要作用。

3.2 崩解過程中紅層細(xì)碎屑巖的物質(zhì)組成變化

本文以紅層細(xì)碎屑巖的物質(zhì)組成即碎屑組分、膠結(jié)物組分、黏土礦物組分三者的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為縱坐標(biāo),以巖樣R0~R5對應(yīng)的崩解循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)作折線圖,可得到滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣的物質(zhì)組成隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖8。

圖8 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖巖樣的物質(zhì)組成隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.8 Change curves of rock material composition of the red bed fine clastic rock samples from Manjiao landslide with cycle times in disintegration

由圖8可以看出:

(1) 紅層細(xì)碎屑巖巖樣的碎屑組分含量隨崩解過程的進(jìn)行相對上升,且曲線在R0~R1段的斜率明顯較后續(xù)過程高,即說明第1次崩解過程中巖樣的碎屑組分含量升高最為顯著。這一現(xiàn)象主要是由于巖石的碎屑組分聯(lián)結(jié)程度高,在崩解過程中較難被剝離所造成的。

(2) 紅層細(xì)碎屑巖巖樣的膠結(jié)物組分含量在崩解過程中整體呈下降趨勢,且曲線在R0~R1段的斜率下降明顯,而后在一定范圍內(nèi)波動,反映出第1次崩解過程中巖樣的膠結(jié)物組分含量變化最大的特征。這是由于在巖石崩解過程中,流體沿著顆粒間縫隙作用,部分膠結(jié)物被沖刷帶走,但由于其粘連作用較強(qiáng),故巖石的膠結(jié)物組分含量整體略有下降但幅度不大。

(3) 紅層細(xì)碎屑巖巖樣的黏土礦物組分含量在崩解過程中相對下降。這一特征一方面與黏土礦物本身易受水?dāng)_動,即其片狀結(jié)構(gòu)易被水分子破壞導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度下降有關(guān);另一方面是由于黏土礦物多賦存于整體性較差的粒間填隙物中,為水動力作用的優(yōu)先場所,而其相比于膠結(jié)物又較少與其他顆粒有較強(qiáng)的粘連作用,故分離剝蝕較明顯[17]。

綜上可見,紅層細(xì)碎屑巖在崩解過程中的物質(zhì)組分變化體現(xiàn)出膠結(jié)物和黏土礦物組分含量減少、碎屑組分含量相對上升的特點,該特征主要與不同物質(zhì)組分在崩解過程中被流體剝離的難易程度相關(guān)。

3.3 崩解過程中紅層細(xì)碎屑巖的微觀結(jié)構(gòu)變化

巖石的微觀結(jié)構(gòu)變化體現(xiàn)在單個礦物顆粒和巖石整體的微觀結(jié)構(gòu)變化兩個方面,前者主要表現(xiàn)為巖石形態(tài)的變化,可用巖石表面顆粒長、短軸長度和球度R、磨圓度PS來刻畫;后者主要表現(xiàn)為巖石孔隙的變化,可用孔隙率PO來衡量。

3.3.1 巖石礦物顆粒的結(jié)構(gòu)變化

本文以紅層細(xì)碎屑巖表面和新鮮面顆粒的長、短軸長度為縱坐標(biāo),以巖樣R0~R5對應(yīng)的崩解循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo),可得到滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖顆粒長、短軸長度隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖9。

圖9 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖顆粒長、短軸長度隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.9 Change curves of long and short axis lengths of the particles of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由圖9可見,紅層細(xì)碎屑巖表面顆粒的長、短軸長度在崩解過程中變化明顯、大小不一,總體呈起伏的波動狀;而紅層細(xì)碎屑巖新鮮面顆粒的長、短軸長度在崩解過程中基本保持一致,幾乎不發(fā)生變化。

本文以紅層細(xì)碎屑巖表面和新鮮面顆粒的球度R和磨圓度PS為縱坐標(biāo),以巖樣R0~R5對應(yīng)的崩解循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)作圖,可得到滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖顆粒的球度和磨圓度隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖10。

圖10 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖顆粒球度和磨圓度隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.10 Change curve of roundness and psephicity of the particles of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由圖10可見,在原始狀態(tài)R0下,紅層細(xì)碎屑巖表面顆粒的球度R相較新鮮面顆粒明顯偏低,磨圓度PS則較之偏大;在崩解過程中的R1~R5段,每一次崩解完成后,紅層細(xì)碎屑巖表面顆粒的球度R相較于新鮮面顆粒均有下降,且下降幅度較為一致;紅層細(xì)碎屑巖表面顆粒的磨圓度PS較之新鮮面顆粒略有上升,且上升幅度大體相近。此外,對于巖石新鮮面顆粒而言,其球度R、磨圓度PS在崩解過程中基本保持不變,說明巖石新鮮面顆?;静皇鼙澜庾饔玫挠绊?。

綜上可見,總體上紅層細(xì)碎屑巖單個礦物顆粒在崩解過程中的微觀結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出如下特征:①崩解過程中,巖石表面顆粒結(jié)構(gòu)明顯改變,巖石新鮮面顆粒結(jié)構(gòu)基本不變;②崩解作用使巖石表面顆粒的球度R下降、磨圓度PS上升。

紅層細(xì)碎屑巖表面顆粒和新鮮面顆粒的球度、磨圓度參數(shù)在崩解過程中的變化特征與巖石自身性質(zhì)、崩解作用的特征和順序密切相關(guān)。首先,巖石在崩解過程中,流體總是由外至內(nèi)地對礦物顆粒進(jìn)行侵蝕,內(nèi)部顆粒所受的水動力作用明顯小于表面顆粒,故巖石新鮮面顆粒的球度和磨圓度在整個崩解過程中均變動不大;其次,巖石在發(fā)生崩解前,即原始狀態(tài)R0下,由于巖石表面直接與自然環(huán)境接觸,經(jīng)歷長時間風(fēng)化作用,巖石表面礦物顆粒發(fā)生機(jī)械破碎,導(dǎo)致棱角增多、粗糙度變大[18],故R0的表面顆粒球度和磨圓度較之新鮮面顆粒分別偏小、偏大;此外,巖石在崩解過程中的R1~R5段,受水的沖刷作用,巖石表面的填隙物剝蝕、脫落,礦物顆粒出現(xiàn)缺口、破碎,形成V形坑、斷口、破裂等[19],故崩解過程各階段巖石表面顆粒相對新鮮面顆粒球度R下降、磨圓度PS上升,但由于崩解作用時間較短且崩解時間相同,其影響程度有限,且此時進(jìn)行崩解的巖石表面亦是前一階段的新鮮面,故差異程度較R0較小且各崩解階段的差異幅度基本相同。

3.3.2 巖石孔隙的變化

本文以紅層細(xì)碎屑巖在崩解過程中孔隙率為縱坐標(biāo),以巖樣R0~R5對應(yīng)的崩解循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)作圖,可得到紅層細(xì)碎屑巖孔隙率PO隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線,見圖11。

圖11 滿家坡滑坡紅層細(xì)碎屑巖孔隙率隨崩解循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.11 Change curves of porosity of the red bed fine clastic rock from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由圖11可見,在原始狀態(tài)R0下,紅層細(xì)碎屑巖表面的孔隙率略高于新鮮面,在崩解過程中的R1~R5段,巖石表面的孔隙率則明顯高于新鮮面的孔隙率;對于巖石新鮮面而言,其孔隙率在崩解過程中的變化較小,基本保持不變。

結(jié)合紅層細(xì)碎屑巖的崩解過程,原始狀態(tài)R0下巖石處在自然風(fēng)化環(huán)境中,受顆粒脫落、破碎等機(jī)械作用和礦物水解、重結(jié)晶等化學(xué)作用的影響,巖石表面的孔隙率較新鮮面偏大;在崩解過程中的R1~R5段,受崩解時的水動力作用,使巖石表面的礦物,特別是作為填隙物的膠結(jié)物、黏土礦物被剝蝕、脫落,進(jìn)而導(dǎo)致巖石表面的孔隙率增大,且由于崩解時間相同,其增大幅度基本一致。而對于巖石新鮮面而言,由于崩解過程中幾乎不受流體沖刷作用的影響,其孔隙率基本不變。

4 紅層細(xì)碎屑巖遇水崩解的微觀機(jī)理及其演化過程分析

基于上述紅層細(xì)碎屑巖的耐崩解試驗,并通過對不同崩解循環(huán)后紅層細(xì)碎屑巖的物質(zhì)組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,認(rèn)為紅層細(xì)碎屑巖遇水崩解的微觀機(jī)理及其演化過程如下:

(1) 紅層細(xì)碎屑巖在成巖及地表的風(fēng)化過程中造就了含較多粒間填隙物(即方解石、赤鐵礦等膠結(jié)物和黏土礦物)的物質(zhì)特征,并形成了原生及次生孔隙。相比于粒度更大、更為均一的石英、長石、云母等骨架顆粒而言,紅層細(xì)碎屑巖粒間物質(zhì)和孔隙的穩(wěn)定性較差,易受各種機(jī)械和化學(xué)作用的影響而脫落。

(2) 在紅層細(xì)碎屑巖崩解過程中,流體沖刷巖石表面導(dǎo)致顆粒間抗擾動能力較差的填隙物和膠結(jié)物最先脫落,并使得巖石表面的孔隙增大,在弱化了顆粒間聯(lián)結(jié)力的同時使流體作用進(jìn)一步增強(qiáng),礦物顆粒開始出現(xiàn)破碎、脫落,最終使得巖石表面的石英等碎屑顆粒也被流體帶走,見圖12。

(3) 隨著上述流體沖刷—填隙物和膠結(jié)物被剝蝕—孔隙增大—顆粒聯(lián)結(jié)減弱—顆粒破碎剝蝕的反復(fù)進(jìn)行,紅層細(xì)碎屑巖逐步進(jìn)行由外至內(nèi)、逐層遞進(jìn)的崩解。這一過程在宏觀上表現(xiàn)為巖石變小、質(zhì)量下降;在巖石物質(zhì)組成上表現(xiàn)為碎屑組分含量相對上升,膠結(jié)物組分和黏土礦物組分含量相對下降;在微觀結(jié)構(gòu)上則表現(xiàn)為巖石表面孔隙率PO相對新鮮面上升,且?guī)r石表面顆粒的球度R、磨圓度PS相對新鮮面顆粒分別下降與上升。

圖12 紅層細(xì)碎屑巖的崩解演化過程Fig.12 Disintegration process of red bed fine clastic rocks

5 結(jié) 論

通過開展耐崩解試驗、X射線衍射試驗和掃描電鏡試驗,本文對湖南省桑植縣滿家坡滑坡紅層基巖即紅層細(xì)碎屑巖在崩解過程中的微觀機(jī)理及其演化過程進(jìn)行了研究,得出以下主要結(jié)論:

(1) 紅層細(xì)碎屑巖的耐崩解性較差,在5次循環(huán)耐崩解試驗中,耐崩解性指數(shù)Id5值在35%~55%之間,且以第1循環(huán)的巖石質(zhì)量下降最為明顯。

(2) 紅層細(xì)碎屑巖在崩解過程中的物質(zhì)組成變化主要表現(xiàn)為石英、長石、云母等碎屑組分含量的相對增加和方解石、赤鐵礦等膠結(jié)物組分以及高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土礦物組分含量的相對減少。

(3) 紅層細(xì)碎屑巖在崩解過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化可通過巖石顆粒球度R、磨圓度PS和孔隙率PO等參數(shù)來反映。崩解過程中,巖石表面顆粒的球度R和磨圓度PS較新鮮面顆粒分別下降和上升;巖石表面的孔隙率PO經(jīng)崩解后較新鮮面上升;巖石新鮮面的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)在崩解中基本保持不變。

(4) 紅層細(xì)碎屑巖的崩解是一個由外至內(nèi)的演化過程,巖石表層先進(jìn)行崩解,巖石內(nèi)部則幾乎不受影響,而在這一過程中作為主要動力的是水的機(jī)械沖刷作用。紅層細(xì)碎屑巖遇水崩解的微觀機(jī)理及其演化過程表現(xiàn)為:流體沖刷使填隙物脫落、巖石表面孔隙增大、礦物顆粒聯(lián)結(jié)力下降、顆粒破碎脫落這一系列過程,通過該系列作用的反復(fù)進(jìn)行,最終導(dǎo)致紅層細(xì)碎屑巖在宏觀上崩解。

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