花岗岩分布区地质与地球物理研究所工程地质力学开放研究(组图)

花岗岩风化程度的化学指标及微观特征对比———以香港九龙地区为例中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学开放研究实验室北京香港科技大学土木工程系香港)个不同工程场地取得的149件不同级别的风化花岗岩样品的化学分析结果,用统计学方法,从反映岩石风化程度的18项化学指标中选取种指标比较理想。通过对样品微观特征的观察研究和矿物成分、微孔隙率以及综合显微岩石指标,发现其中一些指标有一定相关性。这些化学指标和微观特征相关的统计值在一定程度上可定量表征花岗岩的风化程度铁化作用逐渐加强;相应地,先是钠长石风化成高岭石,其次为云母和钾长石的风化。粘土矿物所占体积百分比随风化程度增高而变大,至残积土时已达50%左右Ip指标值下,微孔隙率增高。文章综合出各个风化级别的指标变化范围及平均值供花岗岩分布区花岗岩风化野外调查和研究工作参考关键词风化花岗岩风化分级化学指标微观特征花岗岩的化学、矿物及微观结构等特征随着风化程度的不同会出现相应的变化就使得利用化学和微观特征指标来揭示花岗岩风化程度成为可能。针对岩土工程加固Berry,,;唐大雄等,1988,1996)。然而,仍存在许多问题有待深入研究,例如,并取得大量不同风化级别的样品,对化学指标同风化分级的关系进行统计分析此建立一系列相应的统计值(这对区域风化分级是最基本的)如何将化学风化特征同矿物和微结构等特征相关联,并综合运用两方面指标来定量划分风化级别个问题,本项研究采用了从同一个花岗岩岩体个不同工程场地的个钻孔和一个探坑中所取得的大量风化花岗岩样品系列,进行化学、矿物和微,博士,构造地质和水文地质工程地质专业14收稿,改回结构等分析研究工作。

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分析测试样品数量之多、规模之大是以往这方面的研究工作中所没有的。通过肉眼鉴定出岩样的风化级别,同相应的化学和微观特征分析结果相对照进行统计分析。其结果可作为华南南部地区花岗岩风化级别的定量表征指标参考值在山高坡陡、陆地总面积约为075km的香港地区,花岗岩约占28,香港630万人口中的65%生活在花岗岩区。风化花岗岩的出露面积占整个九龙半岛的)。长期以来,尤其是1992月在风化花岗岩区暴雨诱发的滑坡和碎屑流(港台地区称“山泥倾泻”)造成了生命财产的巨大损失(,1975)以后,香港政府土木工GEO)对风化花岗岩开展了大规模的调查研究工作1994,,1997)。然而由于地形地貌的复杂性、风化花岗岩描述和分级的人为性和不确定性、岩土样品测试结果的巨大离散性,常常造成花岗岩风化级别判定上的混乱甚至错误。因此,有必要进一步开展大量认真细致的工作作者曾对香港花岗岩风化分级的化学指标体系及风化壳分带进行了研究(吴宏伟等1999),并探讨了花岗岩残积土红土化程度不高的原因曲永新等,2000)。本文在此基础Irfan,1994,1996),在化学和微观特征等方面做了进一步的综合研究,得到了较为满意的结果对岩石风化而言,化学成分、矿物组成及微结构的变化是联系在一起的。

一定风化级别的花岗岩会表现出一定的微观特征,而这些又受化学作用的影响和控制。将两者综合起来可以用来划分花岗岩风化级别。本文采用Irfan(1996)提出的风化度分级方案,将其分为:新鲜、微风化、中等风化、强风化、全风化和残积土等花岗岩化学风化特点及相应指标的选取花岗岩化学由于离子半径的不同,Na容易些)。然后是Fe很快水解氧化成Fe(OH),接着是Fe。硅酸盐中的Si被水解成SiO胶体,并形成高岭石和埃洛石。水解因此,在选用化学风化指标时,不仅需考虑含量的减还要关注的富集前人研究中曾用了18种化学风化指标来描述岩石的风化程度。它们可大致分为,即同两个以上化学成分的比值相关的风化率、相对于母岩而言的变化率和考虑多个变SiO2ΠAl2O3(等应用较多。风化率描述了岩石的风化特征,但未考虑母岩成分的影响。它仅适用于来自相同母岩的风化岩,或者是风化级别较高、母岩影响已经很小的残积土。对于那些母岩不同的风化岩,变化率较为适用。因为它表示的是消除母岩影响后的风化特征,适合区域上的比较。而综合风化指标因为化学风化特征的复杂性以及不同变量的权重难于确定,在使用时需要很多已知条件风化花岗岩微观特征花岗岩中长石经化学风化(水解作用、碳酸化作用等)向粘土矿物转化。

常见的反应(钠长石)(高岭石)(钾长石)(高岭石)在向粘土矿物转化的过程中,岩石的矿物成分变得更加复杂。由于氧化硅从铝硅酸盐矿物(如长石,云母)中的析出。水解和水化作用导致了介质向酸性方向发展,并生成高岭石和埃洛石Fe2O3的强烈富集、细分散的粘粒大小的原生矿物,以及粉砂和粗颗粒组分中的粘土矿物的存在对矿物成分和微结构研究是借助偏光显微镜,对风化花岗岩薄片进行定量分析的方法来进行。对它们的定量计算,采用Irfan(1994,1996)(1987)提出的综合显微岩石指标Ip的方法,对风化作用导致的矿物成分和微结构变化进行分析可知Ip的大小同花岗岩风化过程中矿物转化和微空隙形成有关。借助化学风化指标、矿物成分、微孔隙率及Ip指标,建立它们的统计值同风化级别的关系,可用来检验和校正肉眼在现场或室内对岩样风化级别的判断,以确定不同风化级别样品的化、矿物学和微结构的定量变化特征。这对花岗岩的工程地质调查和研究有重要意义Ip指标大小不仅同矿物成分转化和微孔隙率的变化有关,而且还同化学风化指标有关,因为化学风化必然会引起矿物成分和微孔隙率的变化分别代表钻孔BH1、BH2、、DH2的位置)中我们取得147个风化花岗岩样品进行测试。 #

它们的风化级别从个钻孔样品的大致情况见表。另外为研究一个完整的风化系列,我们还用了采自一探坑KP1、,1994)BH钻孔位于九龙狮子山(最高峰高度为495DH钻孔和(参见Shaw,)。所有这些样品都取自晚侏罗2早白垩世侵入的九龙花岗岩体。该岩体的结构和成分非常均匀Shaw,1986),其岩石是典型的中粗粒黑云母二长花岗岩,微斜长石是主要的碱性长石1998)。本次研究所用花岗岩样品基本上都具有相同或相似的初始结构和KP1、,1994,1996)是个例外,这也是导致级中的铁镁氧化物较多的原因云母的分子式为。这就使得对149个风化花岗岩样品的数据进行统一的对比分析和统计成为可能概况ation样品据Irfan (1994) Irfan(1994) 级的样品KP1 、KP2 ,在本项研究中被划归为 从化学成分上看,同一般的 级的样品比较,它们中硅的重量百分数 较低 ,倍半氧化物的比例较高 Irfan,1994 SA的值较小 不低于或大于一些残积土的对应值 Irfan,1994 20,21) ,针铁矿明显出现,碱性长石仅为 110 Irfan,1994 16)。 #

定量 的微观特征分析也表明新鲜长石含量不到 118 13)。当这些结果同来自 149个不同风化级别样品的主要化学成分进行统计分析 ,其结果见图 。图中曲线中间的符号表示不同氧化物的重量百分数的平均值 ,左右两侧的符号分别代表其最小值 和最大值 。从统计意义上看 ,SiO2 65%～75 MgO只占很小的比例 ,这表明 所研究的样品属于典型的酸性火成岩 Irfan,1996) 。SiO2 占据很大的比例说明它们较强的 抵抗风化的能力 。Al2 O3 的含量为 10 %～20 大大超过Fe2 O3 的含量 。这意味着前者是 主要的 ,与其有关的化学指标可能更有意义 。其中 的含量在不同级别风化花岗岩中都较丰富 ,而在 级中却突然减少 ,这一变化规律也被 Irfan (1996) 所注意 对于新鲜花岗岩来说,不同氧化物的重量百分数的变化率随风化级别的变化特征 是各不相同的 。随风化级别的增高 MgO不断淋失 ,Al2 O3 Fe2O3 代号地面高程 地点岩石结构 构造 BH1 95161 400 龙翔道 倾角10～15和 20 BH2 69130 207 龙翔道 中粗粒 密集的张开起伏节理 倾角10 BH3 94175 400 龙翔道 密集粗糙波状起伏至平直节理DH1 65191 154 常乐街 中粗粒 非常密集的粗糙波状 伏节理,倾角 10～20 DH2 87116 250 常乐街 中粗粒 同上 KP 中粗粒空隙直径达 mm渐富集 SiO2减少比例较小 。 #

Fe2O3 增多的趋势很明显 ,尤其是在 这是因为在湿热的亚热带气候条件下 ,富含黑云母的 级样品 因强烈化学风化和Fe FeO在新鲜岩石 同其他的碱、碱土金属相比 级以上却迅速下降 ,表明钾长石比钠长石具有较强的抗风化能力 。这些特征定量表示了风化作 用过程中本区花岗岩化学成分的变化规律 从化学风化指标变化规律来看,一些指标 ,如高Π低价铁比 mob,残余系 铝Π铝钙钠氧化物比ACN 等显示出随着风化程度提高而增 高的趋势 SA,硅Π倍半氧化物比 Kr ,风化势指数 PI和风化物指数 PI 等呈现 相反的变化趋势 惰性)不同所致 。一些化学 verus 风化指标 Kr具有同风化级别变化相一致的特点 ,因而可以较好地刻画 风化分级 。这些所选指标 ,尤其是 Imob 的均值随风化级别不同呈现有规律的变化 级它们的范围值变化较大,其中 Ir 最大 。而在 015,即一半的碱和碱土金属被淋失掉了 即所有的碱和碱土金属都淋失掉了。同样地 总之中等风化花岗岩,这些化学风化指标在 用于微观特征研究的样品同前述的化学分析所用的基本相同 ,只是数量有所减少 偏光显微镜分析得出的数据显示,随着风化作用进行 ,长石 (主要是碱性长石 ,其次是斜长 含量减少直至级时消失 。 #

粘土矿物含量在不断增多 ,尤其是从 、石英和钠长石为主要组分,粘土矿物含量不到 15 ,微孔隙率小于10 。随风化级别提高 ,石英含量有所下降 ,微孔隙率则增加 级时已接近20 。由此可见,长石 微观特征指标均值及变化范围随风化级别变化关系曲线Fig. rocks 借助于偏光显微镜和 X2射线衍射 XRD)的分析得知 ,铁铝硅酸盐矿物在 级中分为两部分:黑云母和其风化蚀变的矿物 ,包括绿泥石 、绢云母 Ip显示出了随风化级别的提高有规律性的减小 ,但不会等于零 ,因为稳定的 石英组分一直存在 。理论上它与其他微观特征指标及化学风化指标有一定相关关系 表示了它同微孔隙率的随风化级别变化关系曲线。从中可以看到 Ip却敏感地显示出很大的变化 级中两者近似表现为线性关系 Ip值变大 级中因为大量粘土矿物和微空隙的增多 Ip的分母变得很大 ,所以这时微空隙的变化并不能导致 Ip 的明显变化 。这说明在 Ip变化规律明显 ,对风化级别划分较为适用 Ip还同化学风化指标 Kr 、Imob 的变化有关 图中虚线表示数据变化的大致拟合线)Fig. Ip ts 方将曲线分成了两大部分 Ip值小于 即对级而言 Kr呈正相关关系 Kr可能描述化学风化晚期 Ip值大于 Kr值显得非常离散 。

如前所述随风化作用的进行 Kr 值减小 同时在矿物转化过程中SiO2 析出 ,长石中的铝离子和黑云母中的铁离子分别转化成高岭 和游离Fe2 O3 ,它们都发生在 Ip 的分母中 ,从而导致了 Ip 下降。因此在 Kr下降的同时 Ip减小 Ip的关系如图 所示。Imob 随风化作用加强而增大 。这意味着含有大量碱和碱土金属的长石在风化作用过程中不断减少 ,从而使得 Imob 增加 ,转化成的粘土矿物 含量增多 ,又引起了 Ip 值的下降 花岗岩风化程度分级的化学、矿物和微结构等特征统计结果 对样品的肉眼观察和风化指标统计可知 ,九龙花岗岩体的风化级别在物质成分及结 构特征等指标均值上显示出的一定的变化规律 ,归纳如下 随风化级别变化关系曲线Fig. Ip 成分及结构没有明显的变化,其中只存在一些原生闭合的结构 XRD分析 ,其主要 造岩矿物为 :云母 717 ,长石6114 ,石英30 (选用的样品为BH2 ,这些结果同前人研究结果 (Lumb 1965) 类似 沿节理和裂隙发生氧化铁的浸染。在结构面表面上和钠长石四周 有轻微风化 。但它们所包围的岩石仍是新鲜的 。

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其氧化物的重量百分比如图 Fe2O3 钠长石分解很少(Na2 Al2O3 的富集更小 。Ip的均值为 20126 微孔隙率仅为1177 呈白色粉末状)沿着钠长石周边大量出 随风化级别变化关系曲线Fig. Ip 黑云母明显褪色。只有石英和钾长石因抗风化能力较强而基本没有变化 。风化指标 如图 所示。这一级主要的化学变化是 Na 的淋失和Fe 例如Na2 Fe2O3 的富集率为 27111 、Al的富集率以及 Si 的变化等 ,并不很大 Ip的平均值为 13 微孔隙率为2122 主要的化学变化为碱、碱土金属组分的强烈淋失 。低价铁继续向高 价铁转化 。脱硅富铝作用不很明显 。Na2 FeO降低率为 31167 。Fe2O3 的富集率已达 72115 风化岩中除石英、钾长石颗粒和所包裹的花岗岩块仍保持着原结构外 ,钠长石全部 分解 ,钾长石 、黑云母部分分解 。在粘土矿物中 ,除大量的高岭石和埃洛石外 ,还伴生少量 的伊利石 、蒙脱石和绿泥石 。Ip 的均值为 9196 微孔隙率为3147 该类风化花岗岩实际上已成为粘土、砂和岩块所构成的松散混合体 。 #

因其粒度特征 和厚度常有较大变化 ,这就使得其工程地质特征表现为强烈的非均质性 除剩余的碱、碱土金属进一步淋失 ,低价铁向高价铁明显转化外 表现出较强的脱硅富铝作用。Na2 Fe2O3 级相比,表现为强烈的脱 ,1991;张庆云等 ,1991) 除石英残留和钾长石部分未分解外中等风化花岗岩,全部的钠长石和黑云母均已分解成粘土矿物和 游离氧化物 。石英和钾长石因为颗粒较大成为砾石 。主要粘土矿物组分为高岭石 、绿泥石和针铁矿。矿物组分和相应的微观特征变化如图 所示。Ip 均值降为 2124 微孔隙率跃升为18137 Al2O3 Fe2O3 的含量强烈增加 。同时 几乎全部淋失。从来自样品 KP1 Irfan,1994) 的数据可知 ,硅的损失率为 11118 Al2O3 的富集率达 43174 Fe2O3 的富集 ,少量的伊利石和蒙脱石)和针铁矿 、赤铁矿 、三水铝石 Ip均值几近于 孔隙率的均值为20225 149个样品定量分析统计表明 ,九龙花岗岩体的化学风化早期主要表现为碱 碱土金属的淋失,晚期则主要为脱硅富铝铁作用 。从矿物成分上表现为钠长石 、黑云母先 风化 ,然后是钾长石的分解 经对比发现,化学风化指标如活动性指数 ,化学成分、粘土矿物组分和微孔隙率变化都极显著 。

与此 相反 ,变化却很平缓。这揭示了从 明了在花岗岩风化中化学、矿物和微结构变化相互关联的特征 。作为一个综合性风化指 Ip较综合地刻画了化学和矿物学的变化特征 ,对风化级别的变化反映最好 本文对风化花岗岩样品所做的化学和微观特征的统计结果,可望为中国华南 别是九龙地区,风化岩Π土级别的定量划分 、校核和验证等方面研究提供参考依据 Π96 致谢 EG13) 的部分成果 。本项研究所用大量样品来自香港特区政府土木工程署 GEO),化学分 析和岩石学分析主要由中国科学院地质与地球物理研究所和广州地球化学研究所分析实 验室完成 ,在此谨致谢意 中国南方红色风化壳.北京 :海洋出版社. 华南红土化作用地球化学及红土型金矿形成的可能性.北京 :地质出版社. 曲永新,吴宏伟 香港花岗岩风化壳发育的不完整性分析.工程地质学报 :16—20 香港九龙花岗岩亚热带深风化剖面的变化特征.广东地质 ,13 :27—38 广东沿海花岗岩残积红土工程地质特征研究.长春地质学院学报 ,18 工程地质专辑):80 —86 ,唐大雄,张庆云 中国东部花岗岩残积土物质成分和结构特征的研究.长春地质学院学报 ,21 香港花岗岩风化分级化学指标体系与风化壳分带.工程地质学报 :125—134 论华南红色风化壳.第四纪研究 张庆云,唐大雄 唐大雄主编,第二届全国红土 工程地质研讨会论文集. 贵阳 :贵州科技出版社. 42 —52 Soils. House lith 69:267 —289 on Rock . Hong Kong SPR3Π94 ing . hy . 233—244 . 15:180 —194 Soils. Asian . Kuala :41 —50 .Paris . . :69—76 n . ,13 :58 —68 e upon ties soil Soils. :281—294 rocks. 76:518 —527 . ety 68:1263 —1291 .Hong Kong ies ation soils . :175—186 ICES KS FROM HONG KO NG Shang ) from lving con2 ts index . g leach out while up s goes down more . sumup l . Key Words rocks grade 中国古陆块构造演化与超大陆旋回”学术会议在北京大学举行 超大陆旋回的研究是近年来前寒武纪地质学及大地构造学的热点科学问题 ,极大地推动了不同古 大陆构造演化的对比及板块构造理论的发展 。 #

超大陆的聚合与裂解事件及其构造演化过程的研究成为 地球科学领域具 IGCP)440 (1999～2002)的主要研究内容 。为加强国内同行专家在相关领域的学术交流 ,由北京大学 地质学系发起 项中国国家工作组 、中国地质学会构造地质学专业委员会 、前寒武纪地质学 专业委员会 、西北大学地质学系 、中国地质科学院天津地质矿产研究所 、中国科学院地质与地球物理研 、中国地质科学院地质力学研究所、石油大学及南京大学地球科学系等单位 ,共同组织和举办本次 专题学术会议 。会议于 2000 日在北京大学新地学楼隆重举行,参加会议的代表 40 余人 #