永胜县龙开口电站水资源综合利用一期工程钙质胶结的结构类型和成因浅析

夏伟　张洪铭　肖文刚

（1.中国水利水电第十四工程局勘察设计研究院　云南省　昆明市　650041　2.云南利鲁环境建设有限公司　云南省　昆明市　650041）

永胜县龙开口电站水资源综合利用一期工程钙质胶结的结构类型和成因浅析

夏伟1张洪铭2肖文刚1

（1.中国水利水电第十四工程局勘察设计研究院云南省昆明市6500412.云南利鲁环境建设有限公司云南省昆明市650041）

钙质胶结是龙开口电站水资源综合利用一期工程中常见的区域性特殊结构，其有着特殊的形成机理和分布规律。在明渠开挖过程中，通过工程地质测绘勘察、地质素描的综合分析，并参阅相关工程地质勘察报告和专业文献资料，对龙开口电站水资源综合利用一期工程钙质胶结的结构进行研究，初步分析钙质胶结的形成原理，得出钙质胶结是成土作用和成岩作用共同参与的结果。

钙质胶结；明渠开挖；成土与成岩作用

引言

工程区位于青藏高原与云贵高原接壤的斜坡过渡地带，属滇西纵谷山区及滇中红层高原区地貌单元，以冰蚀、侵蚀、剥蚀地貌为主，海拔高程在1170～1330m之间，气候类型属南亚热带低纬度山地季风气候。光热资源丰富，光照充足，年日照时数1900～2100h。多年平均气温20.4℃，最热月6月平均气温25.5℃，最冷月1月平均气温12.6℃。渠线总体属剥蚀、溶蚀中低山地貌，渠线地形普遍较陡，自然坡度20～40°，局部达60～70°，局部地形平缓开阔，自然坡度在20°以下，工程沿线地表大部分为第四系金沙江阶地堆积砾石层及第四系残坡积层、洪冲积砂卵砾石层覆盖，工程具有特殊性，在渠道工程区域内的砾石具有地表胶结且只分布在Ⅰ级、Ⅱ级阶地的独特沉积特征，据工程明渠开挖揭露，在不同桩号、不同深度出现了次生、表生胶结体，主要以钙质胶结为主。

1　钙质胶结的类型与分布

1.1钙质胶结体的成分与类型

胶结体的成分较复杂，主要为砂岩、玄武岩及灰岩扁豆体为主。胶结体母岩较坚硬且富钙质、铁质，而更老的地层则多为松散状。胶结体中砾石直径达3～10cm；有些地段砾石非常细，小于1cm，以细砾、粗砂为主，甚至中细砂也出现胶结现象。

钙质胶结体个体粒径大小不一，最小的约1cm，最大的呈整块发育，体积达0.5m3，但5～20cm左右的最为常见。综合工程沿线钙质胶结的发育程度，可将其分为两类：①以姜状和不规则的球状为主，经固结、硬化作用成形，呈暗褐色，表面可见细小气孔，经锤击发现，钙质胶结体质地内密外疏，固结程度内好外差；②体积较大，内部结构质地均一，固结和结晶程度较差，且具有个体越大结晶程度越差的特点，横断面有较平整的砾状断口，颜色呈灰白色。

1.2钙质胶结体的分布

分布在沿金沙江Ⅰ级、Ⅱ级阶地洪枯水位之间，区域性差异明显。工程区内胶结体的成层性、分选性较差，呈条带状、透镜状分布。沉积规模较小，厚薄不均且具多个沉积旋回。长度上，有些开挖面长几百米，短的约十几米。厚度上，厚的达5m以上，薄的仅30～40cm，甚至更薄。在渠道的开挖断面上常见有砾石、砂二元结构组成的多个沉积旋回。

总之，随着渠道水力坡度的降低，开挖渠道底板高程逐渐降低，沿线钙质胶结的发育长度逐渐变长、变厚；随着开挖渠道越往末端越接近金沙江，阶地逐渐向Ⅰ级阶地过度，钙质胶结的体积逐渐变大，埋深逐渐变浅，整体呈地势低处埋藏浅，地势高处埋藏深的趋势。

2　钙质胶结的成因初步分析

2.1钙质胶结的成分来源及地下水环境

钙质胶结中的钙质成分多来源于古金沙江水中的Ca2+，以及周围碳酸岩盐的补充参与，江水中的中钙离子的浓度变化成为制约碳酸钙能否沉积与钙质胶结大小的关键性因素。

金沙江上游沿岸中生代侏罗系砂页岩、灰岩富含钙质，为砾石胶结提供了丰富的钙质来源。但工程区胶结只分布在Ⅰ、Ⅱ级阶地，而高级阶地多为松散砾石层，说明独特的气候是主要原因。

砂砾石的成岩作用发生于堆积以后，其堆积时期的古环境有着非常重要的作用，探查有关资料及前人研究成果，推测胶结体堆积年代距今约1万～4万年。总的古气候背景呈现干旱特征；距今3.5万年左右古气候相对暖湿，是金沙江高水位期，金沙江砾石在该时段大量堆积。全新世初，气候较干冷，降水及气温都有所减小，从距今1万年左右的全新世开始，特别是距今天7000年左右，随着古气候转暖，降水增加，金沙江发生古洪水，形成Ⅰ级阶地河漫滩堆积。

末次冰期晚期全球气候干冷，降水减少；但本区位于亚热带季风区，降水比间冰期少，但还是比高纬度多，只是水量小且运行缓慢，岩土不断溶解提供Ca2+和。此外，上游沿岸及沿岸出露的古生代中生代富含钙质的砂岩、泥岩、二叠系富含铁锰质的玄武岩及其风化形成的土壤为地下水、地表水提供了丰富的钙质来源，在干冷气候背景下，河流水位下切，Ⅰ级阶地上相对暖湿阶段堆积的砾岩层出露在水面以上。在当时干冷气候条件下，空气干燥，温度低，砾石层水分不断蒸发，导致碳酸钙过饱和而沉积与砂砾石混合，随着时间的推移，不断蒸发、淋滤作用下，碳酸钙沉积越来越多，与砂砾石胶结程度越来越紧密，形成了如今的明渠开挖出露的钙质胶结体。

2.2钙质胶结的形成机理

钙质胶结主要是碳酸钙组成的胶结状自生沉积物，工程区的钙质胶结主要是在低地的河流阶地土壤中由蒸发或者淋滤作用而形成的，钙质胶结砾石的初始形态主要为球形状或者近于球形状，表面比较光滑，后来由于胶结作用，使许多球状钙质结核连接在一起，而形成不规则的较大钙质胶结。

把水环境看做一个开放的溶液系统，把钙质胶结的形成过程看做一种结晶过程，钙质胶结持续形成的过程就是CaCO3不断结晶富集沉积的过程，在水环境开放系统中，CaCO3的溶解与沉淀存在着平衡，反应式如下：

从平衡方程可以看出，在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，即胶结不断长大，还需含有Ca2+和离子的水不断补充，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。

同理，从平衡方程可以看出，若要使CaCO3不断溶解，即平衡右移动，需满足下面2个条件：

（1）平衡体系中，CO2分压的升高（当成岩物质被覆盖之后，由于厌氧细菌的作用，有机质腐烂分解，CO2等气体）或降水作用有利于沉淀的溶解。

（2）若要使CaCO3持续溶解，即胶结体溶解，还需降低Ca2+和离子浓度，即增加溶液的量。

3　结论

龙开口电站水资源综合利用一期工程区内气候从古至今很长时间内比较炎热，全年温差小，且蒸发量大于降雨量，导致水分大量蒸发，有利于CaCO3的结晶沉积，这是一种成岩作用，此时沉积物质发生重新分配、组合，胶体矿物脱水陈化、压缩胶结，最终固结为岩石。

龙开口电站水资源综合利用一期工程区内气候从距今1万年左右的全新世开始，特别是距今天7000年左右，随着古气候转暖，降水增加，CaCO3逐渐溶解为Ca2+和离子，淋滤进土层，在土层中运移富集，这是一种成土过程，在这个过程中，伴随着土壤淋溶作用和脱钙作用的进行，CaCO3逐渐溶解从而大量流出，从土壤表层向下迁移的钙便在一定深度上又积聚起来。在长时间的蒸发、淋滤作用下，形成了工程区不同桩号、不同深度的钙质胶结体。

综上所述，龙开口电站水资源综合利用一期工程区内钙质胶结体的形成是成岩作用与成土作用共同参与的结果。

致谢：本文完成之际，首先感谢高工庞崇林对我的培养指导和支持，本文从选题、理论研究到写作完成得到庞高工不断的启发和耐心的指导。庞高工宽厚的学识和严谨的治学态度将使我受益终身，值此文完成之际，谨向庞高工致以诚挚的敬意！

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TV223.1

A

1673-0038（2015）28-0288-02

2015-6-1

夏伟（1986-），男，云南建水人，助理工程师，本科，从事岩土工程勘察与设计工作。

张洪铭（1982-），男，河南商丘人，工程师，硕士，从事环境保护技术研究与工程设计工作。

肖文刚（1982-），男，云南景东人，助理工程师，大专，从事工程测绘与设计工作。