黄土中钙质结核内部分层结构特征及裂隙展布规律

季春旭，李彦荣

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

黄土是风尘沉积-成壤过程的产物，是一部承载大陆气候与环境演化的巨著[1-2].黄土内部由红色和黄色土壤交替而成.黄土里的含铁矿物经雨水淋洗氧化，同时黄土中富含盐分的碳酸钙又被雨水裹挟着向下运移到红色土质的下面，沉积形成钙质结核[3]，俗称姜结石.相对坚硬的红色土与钙质结核被作为窑洞的天然屋顶，黄色部分开凿窑洞主体，形成多层上下分布的建筑格局.钙质结核的存在使黄土呈现各向异性.

钙质结核是黄土演化过程中的后生产物，其结构及含量特征变化可代表温湿与干冷交替环境下黄土形成的气候旋回[4-6]，受到国内外学者的广泛关注[1]，在分布规律、物质成分[7]、形态结构、形成年代、孢粉组合[8]等地质成因方面已有大量研究.由于钙质结核分布广泛、大小不一、形态多变、结构复杂，其形成过程至今不明确.钙质结核内部结构特征及裂隙展布规律是结核形成演化分析的基础，也是结核强度特征的重要指标.

完型结核是定量研究结核内部结构的代表性样品，对其结核结构的分析可影响对黄土地层强度特征的认识，也可为黄土高原地区气候演化及工程地质分析提供理论依据.选择代表性的山西寿阳离石黄土地层中的完型结核样品，通过分析其断口特征与干密度特征，初步探索其结构与形成环境的关系.

1 试验样品与试验方法

1.1 试验样品

结核形态多变、结构复杂，参考国内外文献结合发育模式与形态特征，可将钙质结核分为：雏形结核（长轴为1～5 cm）、钙板状结核（厚度为10～50 cm）、完型结核（长轴为10～40 cm），其中完型结构分布最为广泛[2,9].现场收集整理的完型结核典型形态见图1.

图1 完型结核形态 Fig.1 morphological character of calcareous nodules

完型结核内部具有分层结构[10-11].以完型结核为典型样品，对结核内部结构进行研究.

样品采自山西省寿阳县景尚村黄土剖面离石黄土地层中的完型结核层.黄土坡面上部马兰黄土中结核数量少，个体小，结核不连续，大多数孤立分布于土层中.采样结核层钙质结核轮廓与周围黄土界限清晰，呈层稀疏分布.样品直径介于6～20 cm.结核外层多为浅灰色，内部颜色较深（见图2）.

图2 样品采集 Fig.2 sample acquisition

1.2 试验方法

密度与结构以及矿物组成密切相关.利用分层干密度来分析结核分层结构的致密呈度.

为了分析结核内部分层结构与致密程度的关系，对结核不同层位的代表块体进行了干密度的测试.分别取外层、内层、中心的致密块体（见图3）进行干密度测试，实验步骤如下.

图3 测试干密度部分小块样品 Fig.3 test the dry density of small samples

（1）样品自然风干，用高压泵清理表面覆土.

（2）利用手持3D扫描仪扫描样品表面，重建结核立体影像，计算体积V，见图4.

图4 样品扫描过程 Fig.4 sample scanning process

（3）用烘箱烘干样品，并称得结核干质量M.

（4）用切割机准确切下外层、内层的典型代表小块样品.

（5）用手持3D扫描仪扫描小块样品重建计算体积v，烘干称得质量m.

（6）通过ρ=m/v计算得到结核、外层、内层的干密度.

2 试验结果

2.1 断口特征

断口是结核最为薄弱的结构面，可以清晰辨识结核内部分层结构.完型结核断口见图5.结核内部结构复杂，具有多个同心圆黑色弧线，呈树木年轮状.同心环状构造大多存在于浑圆形结核中，一般仅见两圈或三圈，各圈在颜色、致密程度、孔隙率、碎屑组分和粒度、碳酸钙含量等方面有差异.层圈之间的界限呈突变或渐变，意味着结核形成过程中存在短暂的间断[12].

图5 完型结核断口 Fig.5 fracture of calcareous nodules

完型结核断口结构主要为同心圆状结构，环状结构越多，裂隙越发育.

结核外层厚度较大时，中心发育良好，内层厚度较小甚至不存在；中心厚度大时，外层和内层厚度接近，都较小.

2.2 分层特征

根据各层颜色的差异，利用AutoCAD软件绘制钙质结核断口结构，观察、分析钙质结核的结构特征.本次共绘制出29幅钙质结核的断口结构素描图，见图6.

图6 完型结核断口素描 Fig.6 drawings of fracture of calcareous nodules

2.3 裂隙特征

图7为样品分层面积、裂隙面积和裂隙面积比.

由图7（a）可见，分层裂隙中心面积明显占优势，因为中心裂隙最宽，向外逐渐变窄.

由图7（b）可见，外层发育厚度大时，结核结构致密，一般没有或少有裂纹.中心发育厚度大时，裂隙发育较多，中心裂缝宽度的平均值为0.023 6 mm，内层裂缝宽度的平均值为0.005 mm.中心裂缝宽大，明显大于内层宽度，表明结核裂隙由中心向外层宽度变窄，到外层歼灭.

由图7（c）可见，只看分层面积，中心厚度大时，面积也不占优势，而利用裂隙面积占比，中心裂隙面积与中心面积比明显占优势.

图7 分层面积、裂隙面积和裂隙面积比 Fig.7 stratified area, fracture area and proportion

根据结核中裂缝的产状，利用理正绘制钙质结核裂缝玫瑰花图，见图8.分析玫瑰花图发现研究区钙质结核中最容易出现裂缝在N55°W的方向.

图8 裂隙走向玫瑰图 Fig.8 fissure strike rosette

2.4 分层干密度

密度可以反映孔隙率，可作为体现矿物致密程度的标准.结核的分层干密度是结核分层结构的一项定量指标，且存在一定规律.结核分层干密度见图9.

图9 干密度 Fig.9 dry density

由图9可见，结核外层干密度介于2.13～2.52g/cm3，平均值为2.30 g/cm3；内层干密度介于2.06～2.74 g/cm3，平均值为2.38 g/cm3；中心干密度范围介于2.30～2.70 g/cm3，平均值2.46 g/cm3.

所有样品均显示外层干密度小于中心干密度.干密度平均值由大到小排列：中心干密度＞内层干密度＞外层干密度，结核内部干密度由外层向中心的增大趋势，揭示了结核内部结构致密程度的规律.外层、内层、中心干密度的标准差分别为 0.09 g/cm3、0.15 g/cm3、0.09 g/cm3外层、中心干密度的标准差较小，表明不同结核的外层、中心致密程度较一致.内层标准差较大，代表不同结核内层干密度之间的差异较大，表明内层的结构更为复杂.因此，结核的形成、发育过程中，外层和中心相对稳定，而中间夹的内层呈现较大差别.

3 结论

钙质结核的结构特征、裂隙特征与其形成环境有关.结核形成过程中的风化成土作用和固结成岩作用导致钙质结核呈现不同的结构类型.

（1）完型结核分层结构明显，外层、内层、中心颜色逐渐加深.裂隙由结核中间向外拓展，中间位置裂隙最宽，向外逐渐变窄，未达到外层前歼灭，这些裂缝系统是干缩龟裂引起.

（2）结核内部裂隙发育由中心向外拓展，延伸走向主要集中在N55°W.裂口中心层最宽，外层未见.

（3）结核的形成、发育过程中，外层和中心层相对稳定，而中间夹的内层呈现较大差别.