武陵山湘西北地区细碎屑岩崩解性及其微观特征研究

2023-01-06刘磊徐勇厉一宁连志鹏裴来政李远耀

华南地质 2022年4期

刘磊，徐勇，厉一宁，连志鹏，裴来政，李远耀

1.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北武汉 430205;2.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉 430074

武陵山湘西北地区西临云贵高原，北连鄂西山地，东北临洞庭湖平原，南以沅水为界。区内地质条件复杂、降雨丰沛、人类工程活动强烈，地质灾害频发。据县市详查报告，区内～70%的地质灾害发生于碳酸盐岩、碎屑岩等地层内，在碎屑岩地层中，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等细碎屑岩类地层滑坡发育较密集，为武陵山湘西北地区重要的易滑地层。水是影响碎屑岩物理力学性质的重要因素，干湿循环、冷热交替等作用下的物理崩解是该类岩石主要的劣化形式。

目前，国内外众多学者对不同地区的砂岩、粉砂岩和泥岩等碎屑岩的崩解特性进行了大量的研究。苏永华等(2005)、Erguler and Shakoor(2009)、郭永春等(2012)、邓涛等(2014)、梁冰等(2016)分别对不同类型碎屑岩在干湿循环、水热交替、冻融循环、酸碱环境等条件下开展崩解试验，研究了碎屑岩的崩解特性和崩解机理。Gautam and Shakoor(2013)、Admassu et al.（2016)利用崩解结束后粒度分布曲线下面积与总面积之比作为耐崩解性指数，评估碎屑岩的崩解能力。Dhakal et al.(2002)针对火山碎屑岩及沉积碎屑岩开展了矿物成分鉴定和崩解性试验，研究了矿物组成和结构对其耐崩解性的影响。张宗堂等(2020)对湖南株洲地区的红砂岩样品进行室内静态与扰动崩解试验，基于Weibull分布建立了红砂岩颗粒崩解破碎级配曲线演化模型。刘小红等(2015)进行了三峡库区消落带紫红色粉砂岩的单轴压缩和耐崩解试验，研究了岩样的耐崩解性及单轴压缩强度随干湿循环次数变化的规律。曾铃等(2016)、王开林（2018）、叶朝良等（2019)通过崩解试验以及力学试验，研究了碎屑岩崩解特性对其力学特征的影响。Pejon and Zuquette（2002）、张丹等（2012)、柴肇云等（2015）、申培武等（2017）采用循环崩解试验并借助微观粒径及成分获取设备，分析了崩解物颗粒特征与碎屑岩崩解性关系。田巍巍(2018)对泥质粉砂岩开展了崩解性和力学特性试验，探讨了不同风化类型泥质粉砂岩的崩解差异性及其微观机制。赵晓彦等(2020)结合分形理论，研究了不同pH值条件下粉砂质泥岩的崩解特性以及降雨酸度造成岩石崩解特征差异的原因。孙利辉等(2019)对砂质泥岩进行了崩解实验，研究了砂质泥岩崩解物粒径与宏观力学性质之间的关系。比较近年碎屑岩崩解性的研究成果，在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等细碎屑岩的崩解性方面开展的研究较少，且研究大多集中在影响岩石耐崩解特性的内外因素方面，较少利用高精度的测试技术，对岩石的耐崩解性从微观层面进行特征规律以及崩解机理分析。

基于此，本文以武陵山湘西北地区具有代表性的红褐色细碎屑岩为研究对象，通过室内耐崩解试验，从耐崩解性指数、崩解物成分、崩解产物颗粒形态3个方面对其崩解特性及微观特征进行了研究，并对崩解机理进行了探讨，为揭示红层滑坡的变形破坏机理提供一种微观视角。

1 细碎屑岩工程地质特征

1.1 地层岩性

实验样品取自武陵山湘西北地区，以红褐色细碎屑岩为主，分布于中三叠统巴东组二段（T2b2）地层中，其中，含泥质粉砂岩1件、泥质粉砂岩5件、粉砂质泥岩7件，基本物理性质见表1。

表1 武陵山湘西北地区细碎屑岩的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of fine detritus in Northwest Hunan,Wulingshan

1.2 物理力学性质

开展采集岩样的岩石力学实验可知：各类岩石所受峰值应力与其岩性关联较密切，按强度从大到小依次为含泥质粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩三个系列，其中含泥质粉砂岩强度最高，峰值应力为51～75 MPa；泥质粉砂岩次之，其峰值应力为40～49 MPa；粉砂质泥岩强度最低，峰值应力在21～25 MPa之间（表2）。此外，两块饱和样品中，含泥质粉砂岩强度下降较少，而泥质粉砂岩则下降较多，约为17%。表明泥质含量的升高会降低细碎屑岩的物理力学强度，而颗粒组分含量高、泥质含量低的样品具有更稳定的粒间结构，能够保持较强的力学强度。从微观结构角度考虑，泥质组分内黏土矿物遇水软化明显，导致颗粒间作用力变弱，使岩石的力学强度下降。

表2 岩样单轴抗压强度测试结果Table 2 Rock sample uniaxial compressive strength test results

1.3 细碎屑岩成分分析

对采集的岩石样品进行薄片鉴定，显微图片如图1所示。从薄片鉴定结果可知：①岩样主要由石英、长石、云母等颗粒及黏土矿物、泥级颗粒、钙质或铁质胶结物等填隙物组成，总体上，矿物含量由高到低的顺序为：石英、长石/云母、赤铁矿、绿泥石；②薄片中显示的颗粒大小多在0.01～0.05 mm范围内，即横跨粗-细粉砂级的粒级范围，在0.01 mm以下甚至泥级的颗粒多以填隙物形式出现，少数较大粒径在0.05～0.1 mm间，但几乎没有砂级颗粒出现。

图1 泥质粉砂岩（a）和粉砂质泥岩（b）单偏光镜下图像Fig.1 The micrograph of argillaceous siltstone(a)and silty mudstone(b)under single polarizer

2 细碎屑岩崩解特征实验

将细碎屑岩块体试样在室内制成重40～60 g、直径3～5 cm的小块，共设置6组试样，每组含8个样品，其中，试样1为含泥质粉砂岩、试验2和3为泥质粉砂岩、试样4、5、6为粉砂质泥岩。

2.1 耐崩解性实验

对6组试样在105～110℃温度下烘干24 h，冷却至室温后称重；然后将试样置于岩石耐崩解性试验仪的筛筒并一起置于水槽中，注入水温为20℃的自来水至筛筒轴心下20 mm处；接着启动崩解仪，使筛筒以20 r/min的速度旋转10 min后，取下筛筒，烘干24 h，冷却至室温后取出岩样称重；重复上述步骤，每组试样分别进行5次循环，循环完的残留物依次采用20、10、5、2 mm的标准筛进行筛分并称重。其中，试样1～5进行正常的耐崩解实验，试样6用作后续成分及形态研究。

2.2 分镜X射线衍射实验

采用Olympus XRD Terra便携式X射线衍射仪对试样6开展实验。实验时共有6个样品，包括原状样（记为R0）和每次循环后取得的样品（R1～R5）。

实验时，先将干燥的样品研磨成粉，过200目筛后收集放入袋中；将粉末状样品放入样品夹中，并插入专门的振动装置消除定向性，保证样品的均匀分布；将样品夹放入仪器中，开始测试，在连接的电脑上进行数据监测，测试时长及测试精度满足要求（通常为70个左右的测试回数并使衍射图谱线中尽量少杂波）后停止操作，导出数据。

2.3 扫描电镜实验

采用环境扫描电镜对试样6各个崩解循环的岩样（从R0至R5）进行SEM相片拍摄，样品均加工成2 cm见方、两面磨平的小块，除R0外，R1～R5每组各两块，总共包含11块样品。在每块样品上选择3-4个点依次按放大500、1000、2000倍进行拍摄。

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3 实验结果与分析

3.1 耐崩解性特征分析

根据《岩石物理力学性质实验规程第9部分：岩石耐崩解试验》（DZ/T 0276.9-2015）(中华人民共和国国土资源部，2015)，循环耐崩解性指数采用如下计算公式：

式中，mini为样品天然状态下质量(g)；mn为第n次崩解循环后样品剩余干质量(g)，所得结果如图2所示。

图2 耐崩解性指数与循环次数的关系曲线Fig.2 The relationship between the disintegration resistance index and the number of cycles

由图2可知：①除试样1几乎完全崩解外，其余四个试样的耐崩解性指数平均约为50%，反映出岩石抗干湿循环崩解能力弱的特点；②试样1表现出较其他四组更强的崩解特性，崩解后在水槽中残留物极多，呈松散泥砂状（图3），该现象的产生主要是由于试样1中泥质成分较高、锤击制样时较破碎等因素所致；③各试样组的耐崩解性指数折线整体在R1处出现拐点，前后斜率存在较明显差异，表明第一次崩解在整个崩解过程中居主要地位。

图3 试样1在R1崩解后的残渣Fig.3 Residue of sample 1 after R1 disintegration

对各试样R5崩解后的残留物进行筛分实验，结果见表3。已有研究表明，岩石崩解后的颗粒质量和粒径遵从R-R分布(苏永华等,2005;刘跃东,2019)，采用能描述物体局部与整体的非线性相似特征的分形理论(张丹等,2012;申培武等,2017;赵晓彦等,2020)，通过变换可得颗粒质量随粒径分布的双对数函数：

表3 R5崩解后各试样残留物筛分结果Table 3 Screening results of residues of each sample after R5 disintegration

式中，M(x)为粒径小于x的颗粒总质量；M为颗粒总质量；x为粒径；D为分形维数。

对表3中的数据按式（2）进行拟合，得到R5崩解后各试样颗粒质量-粒径分布双对数曲线（图4a）。由拟合结果知：①曲线整体服从线性分布，试样1至试样5的分形维数分别为：1.884、0.716、0.976、0.479、0.537，试样1的分形维数最大，试样4、5最小。分形维数越大，表明岩石的崩解程度越高，岩样耐崩解性由高到低依次为：粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、含泥质粉砂岩；②除试样1外，其余4个试样残留物均以大于20 mm粒径为主，占比超70%，对比各试样的数据离散性可以看出，试样1的离散性最大，试样4的离散型最小，主要原因是试样1的裂隙较为发育，而试样4较为完整，裂隙的发育使得岩石表现出各向异性的特点。以上表明，细碎屑岩的泥质含量越高，岩石越破碎，崩解能力越强。

3.2 崩解物成分变化规律分析

由表4、图4b可知：①在各类矿物中，颗粒矿物随着崩解的进行，其含量持续增大，且在R1段斜率明显较其它期次高，该类矿物以石英、两类长石、云母为主，具有较稳定的物理、化学特性，且颗粒间黏结作用较强，故较难在崩解过程中分离，导致其含量持续升高；②胶结矿物含量曲线在R1时有较大幅度降低，而后随崩解进行其含量在一定范围内波动，表明第一次崩解过程中其含量变化最为明显，该类矿物中方解石含量明显高于赤铁矿含量，岩石以钙质胶结为主，与水中酸性物质发生化学反应，引起岩样内部裂纹扩展，加速岩石的碎裂；③岩石中有约7%～8%的非晶质体，结合其河流-湖泊相沉积属性，在成岩时处于氧化环境，认为非晶质物主要为未成晶型的硅质、铁质、钙质矿物；④黏土矿物含量曲线表现出较稳定的持续下降趋势，该类矿物以泥级填隙物等形式出现，主要包括伊利石、蒙脱石、绿泥石等。黏土矿物的持续性下降主要有两方面原因，一方面，其片状结构易被水分子破坏导致黏结强度下降；另一方面，黏土矿物多赋存于整体性较差的基质填隙物中，为水动力作用的优先场所，故分离剥蚀较明显。

表4 岩石崩解过程中各矿物含量变化表Table 4 Table of change of mineral content during rock disintegration

图4 R5崩解后各试样颗粒质量-粒径分布双对数曲线（a）和崩解过程中各矿物含量变化（b）Fig.4 The double logarithmic curve of particle weight-size distribution of each sample after R5 disintegration(a)and changes of various minerals content during the disintegration process(b)

3.3 崩解物颗粒形态特征

为提取岩石SEM相片中包含的微观结构信息，进行定量的结构分析，利用Matlab自带的图像处理工具进行了SEM相片矩阵化，通过编写代码调取Matlab图像处理模块达到提取SEM相片中颗粒几何参数的目的。

获取颗粒形状参数的方法较多，本文采用Matlab图像处理函数进行颗粒几何参数的获取。处理的步骤主要包括相片信息预处理、图像降噪、对比度增强、图像二值化、图像优化、信息提取6个步骤：①对SEM相片（图5a、b、c）进行裁剪，读入Matlab中，利用rgb2gray函数将图像转化为灰度图；②利用imhist函数和impixelregion函数确定图像灰度直方图及灰度分布范围；③利用wiener函数进行图像降噪，并通过imcontrast函数和imadjust函数进行对比度增强（图5d）；④利用迭代法和大津法确定图像二值化的灰度分割阈值，并通过im2bw函数进行二值化分割（图5e）；⑤调用bwareaopen函数和bwmorph函数进行图像优化（图5f）；⑥通过regionprops函数提取几何参数并输出表格（表5）。提取包含长轴长度LL、短轴长度LS、颗粒等面积圆周长S0、颗粒周长S共5个颗粒几何参数。采用丰度和圆形度两个指标作为衡量颗粒形态的参数，其中丰度为颗粒的短、长轴比值，丰度越大，表明颗粒越接近等轴，反之则表示越接近长条形。圆形度则主要反映颗粒的棱角尖锐程度。圆形度P的计算公式为：

图5 崩解物颗粒形态提取过程图Fig.5 Diagram of extraction process of disintegrated particles

表5 崩解过程中岩样微观结构参数变化Table 5 Changes of microstructure parameters of rock samples during disintegration

根据圆形度的定义，颗粒的圆形度越接近1，颗粒棱角越少、边界越光滑。对每一张SEM相片进行上述处理后，得到崩解过程中颗粒微观结构参数变化结果如表5、图6所示。

图6 颗粒丰度与圆形度随崩解过程的变化Fig.6 Variation of particle abundance andcircularity with disintegration process

由表5、图6可知：①表面颗粒的丰度随崩解进行总体呈升高态势，且R0-R1段上升幅度十分显著，R1-R5间比值在较小范围内波动，新鲜面颗粒的丰度随崩解进行时变动幅度较小，各阶段数值均比表面颗粒的大；②表面颗粒的圆形度总体呈升高趋势，且R0～R1段升高幅度较明显，而新鲜面颗粒的圆形度整体在较小范围内波动，各阶段数值均比表面颗粒的大；③表面颗粒在崩解过程中的形态变化明显，其一方面表现出颗粒整体形态向等轴形变化的趋势，另一方面颗粒的棱角程度降低，且在第一次崩解循环中这种变化表现得最为明显，而新鲜面颗粒的形态特征在崩解过程中基本保持一致，与表面颗粒变化趋势相同，均表现出向等轴、圆形化演化的特点；④以上变化表明，随着循环崩解作用的进行，岩石各种矿物颗粒在不断地解体、融合过程中，颗粒整体形态由扁平、棱角状表面向等轴、圆形表面转变。分析其原因是，崩解进行时，水总是由外至内地对矿物颗粒进行侵蚀，内部颗粒所受的水动力作用明显小于表层颗粒，故表面颗粒的形态变化较强烈；水进入到岩石内部后，会产生楔形力，促使颗粒间裂隙发展，加速了表面能的转化，使得内部颗粒边缘逐渐趋于平滑。

4 武陵山湘西北地区细碎屑岩崩解机制浅析

细碎屑岩崩解的过程是沉积作用的逆过程，岩石遇水后，颗粒之间比较薄弱的裂隙不断地扩展、贯通，形成较小颗粒，最终导致整体崩解。经过崩解试验以及崩解物成分和颗粒形态分析可知，武陵山湘西北地区细碎屑岩的崩解能力主要受其矿物成分及微观结构影响。

若矿物成分中含伊利石、蒙脱石等亲水性黏土矿物较多时，试样由烘干到湿润的过程中，黏土矿物先失水，其微观结构被破坏，遇水后强烈的吸水性使得黏土矿物发生水化，减弱了颗粒之间的胶结能力，使得孔隙直径增大，造成因颗粒间膨胀和晶层间膨胀而产生了膨胀力，继而导致岩样强度降低并迅速解体，崩解物分散成泥；由湿润至烘干后，崩解物可再胶结，但胶结强度基本无法抵抗外力作用。此为试样1这类以泥质胶结为主，含一定量粉砂质的细碎屑岩的崩解机制，也是试样1表现出崩解迅速、崩解物粒径较小的原因。

若矿物成分中黏土矿物较少，胶结物以游离态的SiO2（玉髓、燧石）、Fe2O3（褐铁矿）和Al2O3（硬铝石）为主时，试样由烘干到湿润的过程中，失水形成的裂纹及原有裂隙受水的表面张力作用，强烈地吸附水分子；部分水分子与泥质胶结物发生水化作用，增大了裂隙及其表面的吸附作用，减弱了颗粒之间的胶结能力，另一部分水分子促使裂隙界面形成一种二维的表面楔裂压力，促使裂隙向纵深发展，两者共同促进了裂隙的扩展，最终使得裂隙贯通，形成沿裂隙崩解的块体，但由于亲水矿物较少，水化作用较弱，新崩解的块体表面裂隙减少，继而难以进一步解体。此为试样4、5这类含一定量泥质胶结，以粉砂质为主的细碎屑岩的崩解机制，也较好的解释了试样4、5残留物大于20 mm颗粒含量明显高于其他试样的现象。