溶蚀泥灰岩的结构特点及矿物的微观形貌特征及特征

第28 卷第 5 期 、 ， o1_28 N o． 5 辽宁工程技术大学学报 ( 自然科学版 ) Jour n al of U ( ) 2009 年 10 月 O ct． 200 9 文章编号：1008-0562(2009)05-0724-03 泥灰岩的微观结构及溶蚀过程分析 刘海燕 ， 一 ，柴建峰 ，李增学 ，吕大炜 ，李淑进 (1． 山东科技大学 地质科学与工程学院，山东 青岛 ； 2．山东科技大学 山东省高校沉积成矿作用与沉积矿 产重点实验室，山东 青岛 ；3． 中交公路规划设计院有限公司，北京 1 00010；4． 微山金源煤矿，山东 微山 ) 摘要：为了研究溶蚀泥灰岩的微观结构特点和岩溶作用的发展过程，采用现场条件分析和室内镜像观察样品的 方法，研究了溶蚀泥灰岩的结构特点及矿物的微观形貌特征。结果表明：微观下泥灰岩岩石中发育许多微小的裂 隙，为溶蚀作用的进行提供了前提条件，另外泥灰岩中大量的泥质物随可溶岩的化学溶蚀过程发生了机械侵蚀作 用；泥灰岩的溶蚀作用一方面引起矿物成分发生改变，另一方面导致岩石结构的变化。

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该结论对研究泥灰岩边坡 的变形破坏过程有一定的指导作用。 关键词：泥灰岩；微观结构；溶蚀作用；岩体结构 中图分类号：Tu 45 文献标识码：A Study on m and its i c ation L IU H aiyan ，CHA l J ，L I Z ，LV Dawei‘ ，L I ( 1． of and E ， SDUST ， ， ， China； 2． K ey L of Mi n & Mi n eral (SDUST)， Qi n gdao， ， C hi n a； 3． Chi n a n g and Inst i tute， Beiji n g ， Chi n a； 4． J i n yuan n e, ， Chi n a) A bstr act： In o rder to study the mi of k m and its k i ， the m ’ a n d micro co sm ic paRem o f are inv by a n aly zing site and t h e using ． T he f i t h at there a r e many micro- in m a r lite ， which can be seen under the E M ．T he m icro． a r e the of i pro cess． A lso．t h e iS disso lv ed som e chemi cal ，a n d lots of m mud a r e ca~ ied aw ay by ．T he k i in not only m ． but also t h e ro ck mass ． T his study prov ides a mea n for study ing t h e or of t h e m slope． K ey w o rds：m ； micro ：k i ；ro ck mass 弓 I 言 泥灰岩 的溶蚀过程 ，就 是岩石 的化 学风化过 程 ，也是岩石微观结构和岩石力学性质变化 、岩体 质量降低 的过程【 】 J。 #

本文 以三峡库 区巴东组泥灰岩 为例进行研 究。巴东组 ( T2 b) 泥灰岩类岩体构成 的边坡破坏是近年来广大地质工 作者备加关注的 地质 问题。泥灰岩所具有的特殊成分与结构 ，使其 在长期的溶蚀过程中，轻则构成溶孔、溶缝，使岩 体强度降低；重则构成塌坑，引起地面沉陷。因此 对详细研究泥灰岩的溶蚀变形破坏 问题对减少该 区地质灾害至关重要 。 1 沉积环境及沉积层序 三叠系中统 巴东组 ( T2b) 地层 为巴东～奉节 收稿 日期：2007． 01． 05 基金项 目：国家重点基础研究发展计划项目 ( 20O 3c ) 作者简介：刘海燕 ( 1978一 ) ，女，河北 唐山人，副教授，主要从事工程地质方面教学与研究工作。本文编校：于永江 段岸坡的主要工程地质基础层，在奉节地区多出露 至三段 ， 零星 出露有第 四段 ，总厚度大于 700 m。 三叠系 中统 巴东组属浅海 一泻湖相碳酸盐岩一 碎屑岩沉积，主要为泥质灰岩、泥灰岩、粉砂质泥岩 及泥质粉砂岩； 上统主要为须家河组灰、 灰黄色砂岩。 第四系地层多为冲积、洪积和残坡积物等，组成成分 较为混杂。 通过地层对 比情况反映了三叠系巴东组地 层厚度在空间上的差异性， 和横向上的不稳定性， 存 在相当程度的变化，总体看来东薄西厚 。

一泥灰岩微观结构特征 泥灰岩在溶蚀作用发生时。经受一系列复杂 的 物理化学过程，针对不同的泥灰岩试样 ，在高倍扫 描电镜下可以观察到不同的微观结构特征。下面分 第 5期 刘海燕，等：泥灰岩的微观结构及溶蚀过程分析 725 别对新鲜的青灰色泥质灰岩、灰黑色泥灰岩、以及 风化后的黄褐色泥灰岩和泥黄色泥灰岩进行研究 ， 分析其镜下的微观结构特点。 2． 1 新鲜泥灰岩微观结构特征 新鲜岩体微观状态下矿物颗粒紧密排列，孔隙 及裂隙发育中等中风化灰岩，颗粒边缘清晰、曲直，无蚀变和 扰动迹象(图 1)。 所以从结构形态看， 新鲜的巴东组 泥质灰岩具有比较稳定的微观结构。 图 1颗粒 紧密堆积 F ig ． 1 ~ ion of ca lcite g rain 宏观上观察泥质灰岩易于溶蚀风化 ，其原 因与 矿物成分 (特别含少量蒙脱石和混层矿物) 有关 ， 而且微观下见方解石的解理面成层片状排列 ，具有 定 向性特点( 图 2) ， 岩体内发育有一定量的孔隙或裂 隙也是一个不容忽视的因素(图 3)。 图 2方解石节理 面定 向生长 Fig． 2 joint of 这是 因为沿这些微细 空隙极易产生孔 隙水压 力集中，在水溶液的化学侵蚀和孔隙水压力的共同 作用下，这些空隙将被逐渐扩大，最终导致矿物集 合体的分离 ，从而引起岩石 的宏观显著变形 。 #

2． 2溶蚀泥灰岩微观结构特征 风化作用后 的泥灰岩在 电镜 下观 察见有规模 不等的溶孔，这些现象表明泥灰岩在溶蚀初期便 出 现溶孔，随着溶蚀作用的深入，溶孔增多变大，并 发生溶孔变 形 ，从而引起 岩石的微观结构发生变 化，甚至使岩石变为散体结构的土体 。 一 图3微裂隙平行发育 F ig ． 3 para llel of 受溶蚀作用的泥灰岩试样 ，显微镜下见主要矿 物成分为微晶方解石 ，含少量褐铁矿、云母、石英 以及生物碎屑等，泥质物胶结。通过能谱分析，可 溶岩颗粒表面富集泥质物中化学元素主要有：Al、 Si、Mg、Ca 等 ，通过镜下形态观察 以及矿物元素 分析，主要是蒙脱石类粘土矿物 J ( 图4)。 图 4clay ent the 溶蚀作用初 期粘 土矿 物富集 F ig ． 4 of kar stif i c ati on 溶蚀作用从原始结构较弱的地方首先发生，由 小型溶孔开始，逐渐 向四周和内部扩大发展，顺裂 隙发育 的方向延伸 ( 图 5) 。

可溶物质被溶蚀带走 ， 不溶物质残 留富集。在孔洞周边发亮色物质经能谱 元素分析出 K 、O、A1、Si 为水云母类粘土矿物【 3 J。 强烈溶 蚀作用 的泥灰岩 形成复杂 的溶孔 ( 图 6) 。溶孔周边残留的矿物 ，经能谱分析，化学元素 主要含有 Mg、A 1 、Ca、Fe、Na、Si 等元素。表明 含有 CaCO3和 Fe(OH)3等成分。 以上通过镜下现象分析，溶蚀后的泥灰岩岩石 结构比较松散，岩块 内部存有大量微小溶孔，有的 集中成线状排列，主要受岩石微裂隙的形态控制 。 镜下可见方解石颗粒周围富集伊利石／ 蒙脱石等粘 土混层矿物 。 图 5顺裂隙形成溶孔 F ig ． 5 the pore along w ith c rack 图 pore 复杂溶孔 F ig ． 6 726 辽宁工程技术大学学报 ( 自 然科学版 ) 第28 卷 泥灰岩溶蚀过程与破坏方式 3． 1 溶蚀作用过程分析 泥 灰岩在岩溶过程 中成分及结构都会发生变 化 。上面分析的微观特征一方面是由泥灰岩的成分 变化引起的。 溶蚀作用使泥灰岩中的CaCO3成分降 低 ，风化作用使岩石中的 Fe2 +转化为 Fe ，并形成 Fe(OH)3胶体沉淀物l3 】 ， 岩石的颜色发生变化。

原生 的泥灰岩在岩溶风化过程 中形成风化岩和残坡积 土，溶蚀作用后的岩层 中粘土矿物含量明显增加， 蒙脱石类矿物残留溶孔周边部位 。通过实验测试数 据【 4 】 ，泥灰岩受溶蚀作用后 ，其中的 CaC O3含量 由 50％～ 60％左右被溶滤减少至 40％～ 30％或更少 。 另一方面 由泥灰岩 中微节理裂 隙的存在 引起 岩溶作用，在边坡的表层岩体强风化带往往形成溶 蚀碎裂岩体，具块石、碎石夹粘性土结构 ( 图 7) ， 最为显著 的是泥灰岩 中的薄层钙质泥岩夹层经层 向错动及经溶蚀泥化而形成富含铁质的泥化条带。 从微观溶蚀形态上看，溶蚀作用的发生大都顺微节 理和微裂隙方 向， 溶孔连通成 串珠状展布 ( 图 6～ 7) 。 图 7结构松动破坏 (据唐辉明2005，有修改) F ig ． 7 e of f l ex ible 3． 2溶蚀泥灰岩变形破坏特点 泥灰岩的溶蚀作用过程属水一岩化学作用，不 仅导致岩体化学元素在岩石与水之 间重新分配，而 且导致岩石微观结构的改变，这两者的变化都将 导 致岩石力学性质 的改变【 5 ]。因此需要从力学、物理 学和化学三个 角度综合分析泥灰岩岩石受溶蚀作 用后的力学性质及变形破坏特点，主要包括： ( 1) 由于泥灰岩成分 的复杂性 ，其溶蚀过程 不同于纯灰岩，微观下可以看出在可溶岩与非可溶 岩接触带上溶蚀作用往往表现更加明显，在可溶岩 侧易形成溶穴、溶孔等岩溶形态 ，而硅质 、泥质 成分等杂质不溶解，富集于溶蚀孔洞周围； (2) 通过微观电镜观察岩石中可溶成分，方 解石 晶体排列具有定 向性特 点，使岩石在平行节理 面的方向力学性质 降低，且利于溶蚀作用 的进行； 一(3) 从岩石的结构分析，在节理裂隙及裂纹 分布区， 尤其是裂隙末端区， 是溶蚀作用 的活化区， 破坏作用首先 由此发生，向周围逐渐扩展 ； ( 4) 岩石 的溶蚀作用促进受力岩体裂隙相互 作用及裂隙聚集效应， 使岩体强度降低。 #

裂隙聚集、 扩展又为水化学作用和渗透提供 了更有利环境； ( 5) 观察坡表溶蚀泥灰岩岩体的特点，是由 外 向内，由点到面，逐渐扩展的破坏规律，也称为 渗入性溶蚀作用 。这种溶蚀作用类型对三峡库区泥 灰岩边坡岩体的破坏起着主要的控制作用【 6 J。 4 结 论 分析泥灰岩微观结构及溶蚀过程，主要有I6 — 7 J： ( 1) 电镜下观察，新鲜泥灰岩岩石颗粒排列 致密，但有微裂隙发育，且排列近平行展布，微裂 隙的存在为岩石的溶蚀作用提供 了前提条件 ； ( 2) 受溶蚀作用 的岩石均有溶蚀孔洞产生 ， 泥岩含量增多而且物质成分发生变化 。在颗粒内侧 钙质成分较多，颗粒边缘部位泥质成分富集。微观 形态下，溶蚀边界粘土矿物成 圆弧状； ( 3) 岩体受溶蚀后 ，泥质成分增高，结构变 得疏松，部分粘土矿物有吸水性和膨胀性，在气候 干湿、 冷暖交替作用下， 易沿着微裂隙面发生破坏；( 4) 泥灰岩边坡的破坏作用表现 为渗透性溶 蚀风化作用。溶蚀作用首先从裂隙部位开始 。由点 到面 ，由外到 内，逐渐扩展。 参考文献： 【 1】张加桂，曲永新．库区泥灰质岩石溶蚀作用的微观研究[J]．工程地 质学报，2005，13( 1 ) ：12— 17． [2】祁生文，伍法权，常中华中风化灰岩，刘海燕，司维兵．三峡地区奉节县城缓 倾层状岸坡变形破 坏模 式及成因机制 『 J】 ．岩土工程学报 ，2006， 22( 1)：88-91． 【 3】张汝藩，杨主恩， 等．扫描 电镜与微观地质研究[M]． 北京：学苑出版 社 ，1999． [4] 张加桂．三峡移民安置区泥灰质岩岩溶风化灾变性分析[J】 ．中国岩 溶，2004，24(3)：239-244． [5】汤连生，王思敬．水一岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进 展[J] ．地球科学进展，1999，l4(4) ：433-439． [6】刘海燕．三峡库区巴东组泥灰岩溶蚀作用与岩体力学性质弱化研究 【 D】 ． 中国科学院地质与地球物理研究所，2007． 【 7] 刘海燕，伍法权，祁生文，三峡库区泥质灰岩溶蚀作用与边坡岩体 破坏[J】 ．煤田地质与勘探，2006，34 (4) ：37·41．