全风化混合花岗岩矿物成分与微观结构研究

王 晖 严 松

（1.云南交通运输综合行政执法局质监支队，云南昆明 650214；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；3.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

全风化混合花岗岩是混合花岗岩壳风化的产物，分布于我国云南临沧地区。其风化深度平均为30 m。在风化过程中，母岩原始矿物组分和岩体结构逐渐被破坏并失去特征，云母和部分长石风化为黏土矿物，整体结构由致密逐渐变为松散状态。在降水和地下水的不断淋滤下，母岩的矿物成分、颗粒孔隙的结构特征逐渐趋于更为复杂的状态，最终导致全风化混合花岗岩具有显著的水敏性质和特殊的微观结构特征，从而对其力学性质产生影响。其中水是影响全风化混合花岗微观结构和力学性能的关键因素[1-2]，研究差异含水状态下颗粒和孔隙的结构特征以及矿物成分分布是了解全风化混合花岗岩力学性质演化的关键。

作为一种成因特殊且仅在一定的区域内分布的地质体，目前对全风化混合花岗岩的研究较少，大多数研究主要针对花岗岩残积土的力学性质和微观结构。王 清等[3]系统性地研究了花岗岩残积土的微观结构和孔隙，发现边面接触是土体结构的主要组成部分。吴能森[4]通过颗分试验和扫描电镜试验发现花岗岩残积土的颗粒组成中含有较高含量的粗粒组和黏粒，其微观结构特征与普通黏性土和砂性土均有较大差别。Gutierrez 等[5]通过微结构分析，指出巴西残积土的结构性强度主要来源于母岩的残余结构和游离氧化物的胶结效应。陈秋南等[6]用扫描电镜对花岗岩残余土进行了研究，观察了细颗粒结构。Kong 等[7]采用NMR 试验对花岗岩残积土的孔隙尺寸分布特征进行了精细研究，探讨了土水特征曲线与T2 分布曲线的关系。Sun 等[8]对花岗岩残积土重塑样开展了CT 扫描试验，观察到孔隙率随含水率变化呈一定差异，认为该现象主要与土中亲水性矿物遇水发生膨胀的特性有关。安 然等[9]对干湿循环后的花岗岩残积土开展三轴试验和核磁共振试验，发现花岗岩残积土的力学性能与孔隙结构的演化特征具有同步性。上述研究均反映出花岗岩完全风化堆积的产物具有复杂的微观结构特征和特殊的矿物成分，此外还具有保水性差、水敏性强的水理性质。

全风化混合花岗岩是介于岩石和土体之间的一种半成岩，在矿物成分、粒度分布和微观结构上与花岗岩残积土有很大区别。本文对云南临沧地区的全风化混合花岗岩开展X 射线粉晶衍射和扫描电镜试验（SEM），旨在探究全风化混合花岗岩的矿物成分分布，通过对扫描电镜图像进行分割提取试样孔隙结构参数，分析不同含水状态下全风化混合花岗岩试样的微观结构演变。研究成果为继续探究临沧地区全风化混合花岗岩工程地质特性及水理性质提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样

全风化混合花岗岩样品取自云南临沧西南部山区的某工程建设现场，取样点位置见图1。该区域内全风化混合花岗的母岩岩性非常复杂，主要为黑云二长花岗岩和黑云混合花岗岩两类岩石，在多期混合岩化和花岗岩化联合作用下基体与脉体已无法分辩。后期经过不同程度的风化作用，全风化混合花岗岩表现出更为复杂颗粒分布、矿物成分和整体结构，导致全风化混合花岗岩具有较为特殊的性质，例如水敏性强，保水性差，整体结构松散。

图1 取样地点

1.2 基本物理性质

全风化混合花岗岩的基本物理性质按照《土工试验方法标准》[10]测定，结果见表1。通过标准击实试验测量其最大干密度为1.86 g/cm3，最优含水率为12%。利用环刀法和烘干法测定天然密度为1.89 g/cm3，天然含水率为19.5%。用比重计法测定比重为2.72。采用筛分法和沉降分析法分别测定0.075 mm 以上和以下的粒组，结果表明11%的颗粒为砾粒，70.4%为砂粒，15.7%为粉粒，2.9%为黏粒，图2为全风化混合花岗岩的粒径分布曲线。

表1 全风化混合花岗岩基本物理性质统计表

图2 全风化混合花岗岩粒径分布曲线

1.3 样品制备

按照相关试验测试方法[10]，对全风化混合花岗岩试样进行风干、研磨、筛分、烘干，如图3 所示，通过常规机械研磨方法获取粉末样品，利用X 射线衍射试验分析全风化混合花岗岩矿物成分，见图4。

图3 全风化混合花岗岩试样

图4 全风化混合花岗岩矿物成分能谱图

SEM 试验采用原状全风化混合花岗岩试样，通过双向水膜迁移法制取不同含水率（6%、8%、10%、12%、14%）的圆柱状试样，将试样中心部分用双面薄刀片切成10 mm×10 mm×20 mm 的长方体土柱，如图5 所示，采用冷冻真空升华干燥法，避免在干燥过程中扰动样品。

图5 SEM 试样制备示意图

1.4 测试试验

全风化混合花岗岩矿物成分的测定基于X 射线粉晶衍射试验完成。由于试样的矿物成分复杂，设计3 组平行测试试验，矿物成分分布情况取3 组试验结果的平均值。试验采用D8 Advance X 射线系统。通过改变X 射线对样品的入射角度和衍射角度，检测并记录X 射线的强度，得到X 射线衍射谱图。解析谱图中峰的位置和强度关系，确定晶格常数，通过峰高和峰面积对矿物种类进行定量分析[11]。

颗粒形态和孔隙分布的观测基于SEM 试验以及数字图像处理实现。将真空干燥后的长方体试样小心掰断，对断面进行溅射镀金，借助扫面电镜拍摄试样微观结构图像。参考已有的土体微观图像处理经验[12-13]，利用ImageJ 软件对800×的SEM 微观图像进行滤波、校正、分割等处理（见图6），识别并提取颗粒数量、面积、直径等几何形态信息，剔除重叠部分，进而定量分析颗粒形态、排列的演化。

图6 SEM 图像

2 试验结果

2.1 矿物分析测试结果

图7 为3 个平行试样矿物成分测试结果，结果反映全风化混合花岗岩的矿物成分以长石和石英为主，长石的平均含量为44.26%，石英的平均含量为28.09%，黏土矿物的含量占27.65%，黏土矿物中，以亲水性较强的蒙脱石为主，平均含量达到19.79%。图8 为了不同地区的全风化花岗岩和花岗岩残积土的矿物成分分布情况，大致可以分为4 个不同类型，临沧全风化混合花岗岩长石含量明显高于东南沿海地区的全风化花岗岩，而黏土矿物含量偏低[14-15]。而风化程度更为彻底的花岗岩残积土，长石基本上被风化成黏土矿物，含量较低，但石英的含量分布整体较为稳定。

图7 全风化混合花岗岩矿物成分分布

从矿物组分表现上可以看出，临沧全风化混合花岗岩的特殊性表现在两个方面：长石含量偏高，石英含量相对较低，这与母岩的形成过程和风化过程有关，混合花岗岩主要是由偏基性岩浆侵入浅表地层，与浅表地层溶蚀交代冷凝后形成，其二氧化硅（石英）含量相对于普通花岗岩偏低，后期的风化强度也远不及东南沿海地区，长石等相对难以风化的矿物得以大量保留，矿物成分的巨大差异直接导致全风化混合花岗岩的粒度组分和微观结构的不同；全风化混合花岗岩黏土矿物中，蒙脱石含量较高，水敏性较强，不同的赋水状态以及亲水性蒙脱石分布的不均匀性会使全风化混合花岗岩内部诱发膨胀势，使得全风化混合花岗岩的颗粒孔隙结构表现出更为复杂的状态。

2.2 全风化混合花岗岩微观结构

2.2.1 试样整体结构

对比不同倍率下SEM 图像发现，全风化混合花岗岩整体结构较为致密（见图9），800×图像下可以明显地观察出全风化混合花岗岩的骨架结构，1200×图像和2000×图像反映了局部下的充填物质和孔隙结构。

图9 不同倍率SEM 图像

为保证整体的视域范围，选用了较低倍率的SEM 图像进行分析，图10 中（a）、（b）、（c）、（d）分别为含水率6%、8%、12%、14%时在800×下的SEM图像。

图10 不同含水率下全风化花岗岩SEM 图像

观察图10（a）、（b）发现，低含水状态时，全风化混合花岗岩的显微结构表现为骨架-充填结构，其中棱角状和次棱角状的石英长石构成了骨架结构的主体，充填物为片状和粒状黏土矿物，颗粒间的排列较为紧密且牢固，孔隙以微孔和小孔为主，大孔和连通孔隙相对较少，局部存在粗颗粒骨架架空形成的大孔。由图10（c）、（d）可知，高含水状态下试样原有的致密充填结构发生了较大改变。充填的黏土矿物排列变得混乱无序，粒状和片状的黏土矿物吸水膨胀后呈现絮状和丝网状特征，且中大孔和连通孔隙含量明显增加，中大孔的分布趋向于均匀，部分黏土颗粒遇水后形成较大的团粒，试样原始的密实的充填结构丧失。

2.2.2 微观颗粒结构

含水状态的差异主要对黏土矿物等细颗粒（直径小于250 μm）充填物具有较强的改造作用，对大颗粒石英长石骨架影响较小。通过分割提取和计算统计SEM 图像中细颗粒的数据，从颗粒排列（定向频率）、颗粒形态（丰度）和颗粒尺寸（粒径分布）三个方面对细颗粒结构进行量化研究。不同含水率下全风化混合花岗岩试样细颗粒的基本参数统计并汇总于表2。

表2 不同含水率下SEM 图像颗粒参数提取结果

传统的筛分法和沉降分析法无法对不同含水状态下细颗粒的粒径分布变化情况进行研究。对此，本研究采用SEM 图像数字处理，统计计算SEM 图像细颗粒等效直径分布信息，以探究全风化混合花岗岩试样粒径的演化特性。限于SEM 的分辨率以及图幅规模，不同含水率试样粒径信息获取范围为1～250 μm，颗粒及孔隙的等效直径D：

式中：A为颗粒或孔隙的面积。

颗粒等效直径的统计结果图11 所示。

图11 不同含水状态下颗粒粒径分布

整体上来看，黏粒（D＜5 μm）含量与细粉粒（5～10 μm）接近，均在10%左右；粗粉粒（10～75 μm）占比在40%左右，细砂粒（75～250 μm）含量占比在15%上下。含水率的变化对颗粒粒径的分布有一定的影响，含水率由6%增加到12%，黏粒含量达到最大降幅，减少了9.02%；含水率由8%增加到12%时，细粉粒含量减少6.84%。而随着含水率升高，细砂粒含量显著增加，最高增幅达10.37%。结合SEM 图像中颗粒形态的变化情况，考虑颗粒粒径的变化主要受两个方面的影响，即黏土颗粒吸水膨胀使部分黏粒体积膨胀增大和含水率的增加会促使分散的黏粒聚拢而形成较大的团粒。

试样颗粒的定向频率表征其颗粒单元排列的混乱程度，计算公式如下[16]：

式中：Ni为第i方位内颗粒的数量；N为颗粒总数；α为颗粒排列方向0°～180°之间等分的单位区位角度，本研究以15°为单位角度进行划分，即α=15°。假定在180°～360°范围内颗粒的定向频率与0°～180°范围内颗粒定向频率对称，计算并统计不同含水率下试样颗粒的定向频率分布，如图12 所示。

图12 不同含水率下颗粒定向频率分布

试样在不同角度范围的颗粒定向频率分布整体较为均衡，但局部角度范围存在明显差异。试样在低含水率状态下（6%、8%）颗粒的定向频率始终在极角（0°、90°、180°、270°）附近分布较高，而在其他区间内分布较为均匀。高含水状态下（10%、12%、14%）颗粒的定向频率则无明显的分布取向，反应颗粒的排列趋于混乱无序的。颗粒定向频率分布的变化主要受两个方面影响：细颗粒的黏土矿物充填与大颗粒骨架间则表现出一定的顽固性，这是由母岩的形成过程以及后期的风化过程决定的；随着含水率升高，黏土矿物吸水膨胀对相邻颗粒产生一定的挤压，迫使极角附近的细颗粒转动，调整至一个稳定的状态，这一现象被称为去极化[17]，最终导致颗粒的定向频率趋于相对无序的状态。

为了较好地度量差异含水率下全风化混合花岗岩颗粒形态的变化，引入颗粒丰度来反映颗粒的形态特征，其计算公式为[18]：

式中：B为颗粒短轴长度；L为颗粒长轴长度；P为颗粒丰度，范围为0～1。颗粒长轴与短轴差值越大，P越小，颗粒约趋于长条形；反之，颗粒长轴与短轴差值越小，越趋近于圆形。对不同含水率全风化混合花岗岩试样SEM 图像中颗粒丰度的计算统计结果如图13所示。

图13 不同含水率下试样颗粒丰度分布

试样的颗粒丰度分布较为集中且呈正态分布形式。颗粒丰度在0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5 范围内呈递增趋势，其中0.4～0.5 区间增幅最为显著，而在0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9范围内逐渐递减。就含量来看，颗粒丰度极值区间0～0.1 和0.9～1 占比较少可以忽略，0.1～0.3 丰度区间的细长颗粒含量较少。颗粒丰度主要分布在0.3～0.6 区间内，占据颗粒整体的70%左右，该区间内主要为欠细长颗粒。0.6～0.7 丰度区间为似椭圆颗粒，平均占比为13%。0.7～0.9 丰度区间的近圆颗粒含量较少，应视为次要因素。就含水率差异来看，不同含水率状态下颗粒丰度的变化并不明显，这主要是由于全风化混合花岗岩试样以砂粒等粗颗粒为主，粉黏粒含量较少，而含水状态的差异对于粗颗粒的改造作用较小，细小的黏土颗粒吸水膨胀引起的颗粒形态变化是导致差异含水状态下颗粒丰度微小变化的主要因素。颗粒丰度的分布反映出全风化混合花岗岩试样的颗粒圆度较差。

2.2.3 微观孔隙结构

SEM 图像校正、分割后，对不同含水率下全风化混合花岗岩试样的孔隙直径进行计算统计，结果如图14（a）所示。随着含水率的升高，孔隙直径分布变化显著。微孔（Dp＜5 um）和小孔（Dp为5～15 um）占比明显降低，大孔（Dp＞30 um）显著增高。含水率由6%增加到10%时，微孔减少7.22%，小孔减少4.11%，而中孔（Dp为15～30 um）和大孔分别增加2.71%和8.62%；当含水率由10%增加到14%时，微孔和小孔分别减少3.81%、0.68%，中孔和大孔分别增加1.47%和3.05%。最终，微孔和小孔分别减少11.03%、4.79%，中孔和大孔分别增加4.18%和11.67%。

图14 全风化混合花岗岩试样微观孔隙结构

孔隙连通关系的划分主要依据孔腔间的接触关系。参考既有经验[19]，以孔腔间面接触为标准，划分孔隙的连通性，孔隙连通率p的计算公式如下：

式中：si为第i个微观孔隙面积。图14（b）反映了全风化混合花岗岩试样随含水率的升高，整体孔隙率和孔隙连通率的演化情况。试样含水率由6%增加到8%时，孔隙率和连通率小幅度降低了1.3%和3.3%，含水率在初始增加的过程中，亲水性矿物的不充分膨胀导致少量孔隙被充填进而使孔隙率和孔隙连通率小幅度降低；随着含水率继续增加，试样孔隙率和连通率快速增长，含水率由8%增加到14%时，试样孔隙率由18.8%增加到29.4%，连通率由50.2%增加到67.3%。

含水状态的差异对全风化混合花岗岩试样孔隙结构的影响主要表现在两个方面：（1）含水率的增加，使部分微小孔隙被水充填，导致微孔和小孔占比减少；（2）含水率较低时（6%、8%），试样结构较为紧密，孔隙含量低，连通性相对较差，随着含水率升高（10%、12%、14%），大颗粒骨架间的黏土矿物吸水膨胀，加快其周围颗粒和充填物的结构损伤、疏松，从而大量微小孔粗化、连通，形成较大一级的中孔或大孔，进一步增加孔间的连通性。

3 全风化混合花岗岩矿物成分与微观结构

通过测定全风化混合花岗岩的矿物成分并对全试样进行微观结构的研究分析可以发现，差异含水状态下全风化混合花岗岩试样微观结构的演化是一个复杂的过程，其中涉及水、矿物颗粒的物理性质、化学性质以及颗粒间的力学性质。全风化混合花岗岩粒度组分决定了其试样的整体结构表现为骨架-充填结构，颗粒表现出不规则形态使得颗粒间相互咬合摩擦而达到稳定平衡状态，在一定的含水状态下，这种稳定的骨架-充填结构表现出致密、紧实的特点。但这种致密的状态在含水状态变化的情况下容易被打破，因为全风化混合花岗岩中富含亲水性黏土矿物，导致其充填结构具有一定的涨缩性质。当含水率较低时（含水率6%和8%），全风化混合花岗岩结构致密，黏土矿物形态多以片状和粒状形态充填于粗颗粒骨架间；当含水率较高时（含水率10%、12%和14%），大量的水分子包裹亲水性较强的黏土矿物，形成较厚的结合水膜，产生粒间膨胀，充填的黏土颗粒原始形态消失呈现絮状和丝网状形态，黏土矿物体积膨胀，撑开临近孔隙，使得颗粒骨架间孔隙不断粗化、连通，导致原始致密的充填结构被破坏。

4 结论

利用X 射线粉晶衍射和SEM 测试方法对全风化混合花岗岩的矿物成分以及不同含水状态下试样微观结构表现进行了详细研究分析，得到如下结论：

（1）全风化混合花岗岩的主要矿物成分为石英、长石，平均含量分别为28.09%、44.26%，其余为黏土矿物，而黏土矿物中亲水性较强的蒙脱石占绝大部分，是全风化混合花岗岩表现出较强水敏性的物质基础。

（2）全风化混合花岗岩粒度组分以砂粒为主，是全风化混合花岗岩试样形成骨架充填结构的关键。含水率升高的过程中，颗粒丰度和直径均有所调整，其中颗粒的丰度分布相对稳定，处于平衡互馈状态，整体上反映出颗粒的圆度较差；粒径分布的变化幅度显著，黏粒最大降幅为9.02%、细粉粒含量减少了6.84%，细砂含量增加了10.37%。低含水状态下（6%，8%），颗粒的排列紧实有序，充填结构表现出致密稳定的状态；而随着含水率的升高，颗粒的排列接触变得混乱无序，表现出“去极化”特征。

（3）随着含水率升高，全风化混合花岗岩微观结构劣化效应显著。细颗粒间的孔隙结构表现为微孔、小孔粗化、贯通，形成中孔和大孔，孔隙连通性显著升高。其中中孔和大孔分别增加4.18%、11.67%，微孔和小孔分别减少11.03%、4.79%，孔隙连通率最高增幅达17.1%。孔隙分布的变化是诱发充填结构性质改变的最关键的因素。

（4）全风化混合花岗岩表现出较强水敏性的主要因素是亲水性黏土矿物吸水诱发膨胀势，导致充填结构中粒间孔隙的粗化、贯通，颗粒排列的混乱以及颗粒形态尺寸调整。密实的充填结构被破坏，全风化混合花岗岩微观结构整体变得松散。