淮北平原钙质结核土的结构类型和成因分析

2010-09-03施国军吴道祥徐冬生王国强

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年11期

施国军, 吴道祥,2, 徐冬生, 王国强

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009;2.同济大学土木工程学院,上海 200092)

0 引言

中国淮北平原是钙质结核土的典型分布区,面积约为 140×104hm2,占淮北平原总面积的52.5%,占全国含钙质结核土面积的41.5%。钙质结核土由于结核的成因时代及分布不同,其工程性质迥然不同[1,2]。钙质结核土的工程性质既不同于黏性土又有别于碎石土,具有显著的结构性和“非均匀性”特征,应属于特殊土范畴。淮北平原钙质结核土的研究引起了地质、水利和农学界的广泛重视[3-8]。

安徽淮北平原位于黄淮海平原的南部,东西两侧分别与苏北平原和豫东平原接壤,南以淮河为界;区内除东北部有低山残丘外,为一片坦荡平原;地势自西北向东南缓倾斜,海拔多在15～46 m之间;地下水位较浅,平缓稳定;在大地构造上属华北陆台南部,东为山东台背斜,西为河淮台向斜;结晶基底为前震旦纪变质岩系,除东北部为震旦纪至下古生代地层组成的低山丘陵外,第四纪地层广泛分布。区内河流皆属淮河流域,但由于历史上古黄河多次改道呈南北摆动,并夺淮入海,因此淮北平原成土母质的主要类型由黄土性古河湖相沉积物、近代黄泛沉积物、近代淮泛冲积物和前第四纪基岩风化物的残积、坡积物,以及上述各类交互沉积形成的沉积物构成。

1 钙质结核的类型与分布

1.1 钙质结核的成分与类型

钙质结核的大量分布是钙质结核土的重要特征。结核个体的粒径大小不一,最小的不足1 cm,大的可达30 cm以上,但5～10 cm 左右的最为常见。综合钙质结核的发育程度、化学组分和外表形态,可将其分成雏形钙质结核、完形钙质结核和钙质硬磐[9],具体关系[10]见表1所列。

表1 钙质结核的发育程度、化学成分与年龄之间的关系 %

从表1可以看出,钙质结核中含有相当丰富的碳酸盐,高者可达68.3%,低者亦有31.39%。其中碳酸钙成分占绝对优势,可占到碳酸盐总量的97%以上,此外还含有一定数量的碳酸镁和碳酸锶。钙质结核的发育程度以及碳酸盐、碳酸钙和氧化钙含量随着结核年龄的增加而递增。

雏形钙质结核呈块状,与周围土体渐次过度。薄片观察表明,它主要由泥晶质碳酸盐和少量微亮晶质碳酸盐胶结而成,并且结核中通常嵌埋有较多的土壤碎屑物质以及大小为0.01～0.1 mm的石英、长石、云母碎片。

完形钙质结核以姜状和不规则的球状为主,由于固结、硬化成形,而硬度较大;它由微亮晶质和亮晶质的碳酸盐,以及大小约0.005 mm的方解石胶结而成,某些结核中,石英和长石的质量分数可达20%;结核中的一些大孔隙通常为方解石填充,呈晶管状或晶囊状;铁锰质浸染斑较多,还嵌有不少的铁锰结核;内部结构一般由不同色调、成分和结构的圈层组成,圈层颜色内深外浅;结晶程度内好外差;质地内密外疏;圈层多围绕某个核心由内向外同心层生长,其核心多由碎屑颗粒(如砂粒、岩屑)、矿物晶体、蜗牛化石等组成。

钙质硬磐是由泥晶质或微亮晶质的碳酸盐、土、沙,甚至动物化石胶结固化而成,体积较大,内部结构质地较均一,固结和结晶程度较差,且具有个体愈大结晶程度愈差的特点;横断面有较平整的砾状断口,颜色呈灰白-灰褐色,长轴呈近似水平排列。

通过系统观察研究区内不同地区、不同层位的钙质结核的外观特征及切片,可将其内部结构大致分为2类：

(1)均质结构,其结构特征是质地均一,含大量泥质、粉砂质及砂质的碎屑颗粒,分选及磨圆程度较差,呈次棱角状,为碳酸钙呈泥晶质或微亮晶质的基底式胶结,固结和结晶程度较差,呈块状构造;多为钙质硬磐和雏形结核,且两者又因不同的碳酸钙含量和胶结程度而表现出迥异的工程性质。

(2)同心结构,其核心多为分选及磨圆程度较好的颗粒物质,且以此为中心呈环带状向外生长;由于碳酸钙及铁锰质含量的不同而呈现出不同的颜色和结构特征,大致颜色内深外浅,结晶程度内好外差,质地内密外疏;不同层次的结构特征反映了不同形成环境的变化;完形钙质结核多为此种形式,在土层中呈分散状分布,为淮北平原最为常见的形式。

1.2 钙质结核土的分布

淮北平原钙质结核土区域分布,如图1所示。一般地,钙质结核土大面积分布于形状不同、大小不等的河间、河旁、湖坡洼地和扇前洼地。从图1可以看到,Q4分布区土层上部主要分布雏形钙质结核土,这部分地区钙质结核的数量少,粒径小,影响较弱;Q3分布区土层上部主要分布完形钙质结核土,这部分地区钙质结核的数量多,粒径大,对土体工程性质影响较大,是研究重点。

从上到下,钙质结核的大小和形状很不一致,由小而大,呈扁平或竖卧在土中,没有层理的划分,呈舌状分布。雏形钙质结核分布在剖面中上部约50～80 cm处;完形钙质结核分布于剖面中下部70～120 cm处;钙质硬磐则位于剖面下部,甚或超过一般土壤剖面范围,紧邻地下水第一含水层(达3 m深)。其中完形钙质结核在剖面中的分布最为普遍,且剖面下部形大量多,而上部形小量少。

14C测定的钙质结核的年龄随着深度的增加,有明显增大的趋势,且雏形钙质结核的年龄总是小于完形钙质结核,而完形钙质结核的年龄又小于钙质硬磐[11]。

图1 钙质结核土区域分布平面图

以利辛地区为例,该区地貌单元为淮北冲积平原,钙质结核分布广泛,埋深较浅,大量存在于粉质黏土和黏土层中,在粉土层顶部可见钙质硬磐分布,且块径很大,重达数十至数百千克。

利辛在剖面范围内,主要分布粉质黏土和黏土层,层厚变化不大,粉土分布较少,且厚度较薄。钙质结核主要出现在埋深1.0 m左右,即标高24.5 m处,钙质硬磐分布在粉土顶部,埋深6.8 m,标高13.8 m。表层粉质黏土或耕土中也含有少量钙质结核,直径为0.5～1.0 cm。黏土和粉质黏土层中,裂隙发育,软塑-硬塑状态,具青灰色斑纹。钙质结核粒径多在1.5～2.0 cm之间。随着深度的增加,颗粒含量增加,粒径增大。

总之,淮北平原地势较平坦,整体呈西北部高、东南部低的状态。若从周边向中心看,则标高中部偏低,周边偏高。若用阜南—灵璧一线将淮北平原斜切开来,切线上方(即西北部)地势高,而下方(即东南部)地势低。其中以界首、太和和濉溪地区地势最高,而以宿州、固镇和灵璧一带地势最低。钙质结核的埋藏标高与地面的标高变化基本一致,地面标高高处,钙质结核埋藏也高;地面标高低处,钙质结核埋藏也低。从埋藏深度来看,整体呈地势低处埋藏浅,地势高处埋藏深的趋势。

2 钙质结核土的成因分析

2.1 钙质结核的成分来源及其地下水环境

以往对于不同地区钙质结核的研究发现,钙质结核中的钙质成分多来源于上覆富钙沉积土层,以及周围碳酸盐岩的补充参与。流体中钙离子的浓度变化成为制约碳酸钙能否积淀与钙质结核成核大小的关键性因素。

广泛发育钙质结核的淮北平原,有着其自身的特殊条件和形成环境,该研究区地势平缓,地面坡降1/7500～1/10000,在其晚更新世的剥蚀面上广泛覆盖着几米至十几米厚的黄淮泛滥的淤积物,构成现代淮北平原特殊的地貌景观。这些河湖相沉积土,粒度成分比黄土更细小,由于受地表水流的影响,失去黄土的某些重要特征,但其中富含CaCO3成分的特点没有改变[11]。

在干湿交替的气候条件下,上覆土层的碳酸钙成分在淋溶作用下与二氧化碳结合以Ca2+-HCO3-的形式在地下水位附近富集。此外,研究区内一般地势平坦低洼,排水不良,地下水流速平静缓慢的动力学环境为钙质结核大规模的发育形成提供了条件。

2.2 钙质结核的形成机理

把地下水视为开放的溶液系统,把钙质结核的形成过程看作一种结晶过程。对于一般的溶液,其溶质浓度为c,临界饱和浓度为c0(c＞c0),相对应的溶液中溶质固态的化学势为μs,其在溶液中的化学势为 μ1,定义 Δμ=μs-μ1和过饱和度 Δc=c-c0成正比,即 Δμ=kΔc。对于溶液系统,若要使Gibbs函数减小,则有溶质浓度c减小,即溶液有溶质结晶。但是若形成晶体为半径(r)很小的颗粒,则将引起Gibbs函数的增加,此时G的变化为

其中,σ为界面张力。在(2)式条件下,即

ΔG(r)有极大值。此时的半径r*即为临界成核半径。伴随晶核半径的自由能变化,如图2所示。

图2 伴随晶核半径的自由能变化

当r＜r*时,ΔG＞0,所形成的粒子是亚稳的,即使能生成也将立即消灭;而一旦粒子半径越过了r*,即当r＞r*时,Δ G＜0,则新相粒子便将一直长大下去直至平衡[12]。

由(2)式可知,溶液的过饱和度 Δc越大,临界半径r*就越小,由热涨落所形成的小粒子半径容易越过r*,使溶质不断结晶而长大。但是若过饱和度Δc太小,则临界半径r*将变得很大,溶质形成晶胚而复又溶解。但现实的地下水不可能是单相的纯溶液系统,其间还存在着大量的砂粒碎屑、生物残骸等固体小颗粒物质。而在这类的“基底相”表面上形成晶核与在单一液相形成的临界晶核相比要小得多,因此在过饱和度不大的情况下,溶质也可能围着溶液中的固体小颗粒不断结晶长大。

在地下水这个开放系统中,CaCO3的溶解与沉淀存在着下列平衡：

从平衡方程可以看出,在地下水溶液为钙离子所饱和的情况下,若要使CaCO3不断结晶,即平衡向左移动,需满足下面2个条件：

(1)平衡体系中,CO2分压的降低或水分的蒸发作用有利于沉淀的产生,类似地,土壤的高pH值也将促使平衡向左移动,使CaCO3的过饱和浓度增大。

(2)若要使CaCO3持续沉淀,即结核不断长大,还需有Ca2+-HCO3-型地下水的不断补充,即其它处的碳酸钙不断转化为重碳酸钙,且通过运移在土层一定深度集中富集。

淮北平原钙质结核年龄,见表2所列。

表2 淮北平原钙质结核年龄

由表 2可知,淮北平原钙质硬磐的形成时间[10,11]为晚更新世中期到晚期,完形钙质结核的形成时间为晚更新世晚期到全新世早期。

淮北平原为典型的暖温带过渡性气候,年降水量分配不均,且蒸发量大于降雨量。晚更新世时气候干湿交替,有利于碳酸钙的淋溶运移。全新世气候转暖,水分充足,大量的生物活动使土壤中饱含CO2,有利于碳酸钙的累积。当气候干旱时,蒸发作用增强,使地下水中的CaCO3溶液很快进入较大的过饱和状态;在水分向上运移的过程中CO2由于分压的降低不断析出,促使了Ca-CO3的沉淀结晶。这种情况下,CaCO3易于在十分细小的固体颗粒或在自身形成的小晶粒周围持续快速结晶生长。由于生长快且较连续,故结核内部结构较均匀,呈块状,但结晶程度差;较充分的CaCO3成分补给,较稳定的地下水位,使之能够围绕原来形成的结核体不断长大,最终发育为密集成层分布的大个体的钙质硬磐层。

在碳酸钙过饱和浓度稍低时,CaCO3就倾向于在体积稍大的固体碎屑周围结晶,因而形成的结核中大多具有碎屑核心。在这种情况下,结晶生长均匀缓慢,形成的钙质结核个体相对稍小,且内部结晶程度较高,在土层剖面中成层但分散状分布。

而当土壤溶液中CaCO3的浓度较低时,即使环境发生微小变化时,淀积层中的CaCO3的浓度也将会在临界饱和度附近波动,结核随之长长停停,有时甚至还会重新溶解。此时胶结作用将取代结晶作用成为主导的形成方式,因而形成的雏形钙质结核包含较多的碎屑物质,及长石、石英、云母碎片,最后形成块状结构,并与土体渐次过度呈弱胶结状态。

钙质结核及其周围土壤的化学成分[13],见表3所列。由表3可以进一步推断,不同的成因作用使钙质结核的类型和结构全然不同,表现在化学成分上主要为碳酸盐富集程度的差异;当然,不同地区不同时代的地下水类型,以及土壤环境条件的不同,也是导致化学成分含量分异的因素。

表3 钙质结核及其周围土壤的化学成分占烘干土重 g/kg

3 结果与讨论

从钙质结核的形成过程看,钙质结核并不是单一成土作用的产物。在成土过程中,伴随着土壤淋溶作用和脱钙作用的进行,上部土层的碳酸钙矿物与含碳酸质的水分作用,生成碳酸氢钙从而大量流出,大部分易溶性盐类如氯、硫、钠、钾等也从土体中淋失,而硅、铁、铝则基本上未迁移。土壤溶液和地下水均为钙离子所饱和,从土壤表层向下迁移的钙便在一定深度上又积聚起来。由形成机理可以看出,钙质结核的形成过程类似于碳酸盐岩的重结晶成岩作用。在饱和的Ca2+-HCO3-地下水溶液中,水分的蒸发和二氧化碳分压的减小,使碳酸钙达到过饱和状态而沉淀析出。在结核的长大过程中,往往包含着一些微小的生物残骸和碎屑物质,并以此为中心,周而复始不断长大。同时,在结核过程中,还伴随着交代作用和胶结作用的参与,加上由碳酸盐浓度带来的结晶程度和快慢的差异,使不同时期形成的钙质结核具有各自独特的矿物成分和结构特征。

钙质结核是以淮北平原的沉积土层为基相而形成的,有规模地成层且分散状地分布,使其所在土层的工程性质区别于一般的黏性土。因此,钙质结核的形成本身就是对土的次生改造,可以把它归为成土作用的一部分。笔者认为,钙质结核土的形成,是在多方条件参与下逐渐形成的区域特殊土体,是成土作用和成岩作用共同作用的结果。另外,由于碳酸盐的沉淀是自生性的形成,它的形态发育局宥于周围土体的结构构造特征。钙质结核的外观极为凹凸不平,具有针状或瘤状突起,与土体的接触面积大大增加。其自生形成的性质特点使其迥异于碎石土中的粗粒成分,使钙质结核土的性质与碎石土有所区别,并因土中钙质结核分布的均匀性与类型的不同、含量的多少以及地下水的情况而各有差异。

钙质结核的成因问题不仅涉及土壤学、地质学、水文学,还涉及热力学、结晶动力以及成土作用、成土后期的改造作用。此外,不同类型的成土母质成分和地下水环境使钙质结核的结构特征、物理力学性质呈现出不同的特点,关于钙质结核土的结构性和工程性质,在以后将开展更加深入和广泛的研究。

[1]王国强,吴道祥.亳州市新近沉积粉土的工程性质特征及地基承载力评价[J].地质与勘探,2000,36(6)：76-79.

[2]曹亚娟.安徽淮北平原钙质结核土的分布及成因研究[D].合肥：合肥工业大学资源与环境工程学院,2009.

[3]刘良梧.砂姜黑土形成的历史过程[M]//淮北地区水土资源开发与治理研究.北京：科学出版社,1992：136-145.

[4]张国瑞,罗抗美,陈现平.淮北平原砂姜黑土的土壤水特征[J].安徽农业科学,2003,31(4)：537-539.

[5]马丽,张民.砂姜黑土的发生过程与成土特征[J].土壤通报,1993,24(1)：1-4.

[6]张俊民,郭兴度.安徽淮北外资治理区砂姜黑土的形态特征[M]//砂姜黑土综合治理研究.合肥：安徽科技出版社,1988：268-283.

[7]吴道祥,蓝天鹏,刘秋燕,等.土的结构研究现状与展望[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2009,32(12)：1904-1910.

[8]阎占元,吴聆益,陈常友.黄淮海平原砂姜黑土分布特点与综合开发治理途径研究[J].河南科学,1989,22(Z1)：171-179.

[9]王天中,赵清友,李令英.砂姜黑土的成土过程及其分类[J].土壤通报,1981,(6)：38-40.

[10]刘良梧,茅昂江.钙质结核放射性碳断代的研究[J].土壤学报,1986,23(2)：106-112.

[11]刘良梧.变性土年龄研究[J].土壤学报,1995,10(5)：274-278.