论文部分内容阅读
在黄河中游砒砂岩地区，强烈的岩土侵蚀不仅导致当地的生态环境恶化、制约地区能源经济可持续性发展，而且侵蚀所产生的泥沙是黄河粗泥沙主要来源之一，增加了“治黄工程”的难度。因此很有必要对该地区岩土侵蚀机理作进一步研究。
砒砂岩强烈的岩土侵蚀不但受到外部环境条件的影响，而且与岩石本身抵抗侵蚀的能力有关。此外微结构研究历史表明岩土体微结构特征是其外在宏观性质存在的结构基础。因此本文认为砒砂岩微结构特征对其抗侵蚀性具有重要的影响。选择砒砂岩典型分布区刘家沟与和尚沟两组地层为代表进行微结构定量化分析，探讨砒砂岩微结构特征对其抗侵蚀性的影响。为深入地认识砒砂岩的岩土侵蚀问题和砒砂岩地区水土保持工作提供科学依据。
在微结构研究历史中，人们广泛地关注土壤的微结构，较少研究基岩微结构特征。因而，在回顾土壤微结构研究与发展的历史过程中，借鉴了土壤微结构研究的方法与成果，用于探讨砒砂岩微观结构特征与其抗侵蚀性的关系。砒砂岩微观结构定量分析方法可以概括为：以光学显微镜为测试手段，以结构单元体为研究对象，利用统计学、非线性理论的方法和计算机图像处理技术相结合，对岩石的光学显微照片进行结构单元体的大小、形态、分布、定向性及其综合特征进行定量化地分析和评价，从而为解释岩石的宏观行为提供重要的定量化依据。
首先，根据砒砂岩的组成部分，构建了砒砂岩微结构的形态要素，包括颗粒特征、孔隙性质和填隙物特征。颗粒特征主要包括颗粒大小、形状、表面起伏、分布状态和定向性；孔隙性质主要包括孔隙大小、分布状态和定向性；填隙物特征则包括填隙物的含量与分布状态。针对各部分的结构特征，对比众多的定量化参数，从中遴选出能够表征各个结构特征的结构参数。
其次，在通过岩石薄片分析和光学显微镜摄取了砒砂岩显微图像的基础之上，结合计算机图像处理技术提取和解读了显微照片中的图像信息，采用粒度分析法和分形理论(几何)对原始图像信息进行二次处理，提炼并筛选出能够反映砒砂岩内部微结构特征的17个结构参数，主要包括颗粒的大小参数(平均径(φ)g、标准偏差s.dg、偏度SKg和尖度Kg)、形状参数(丰度fg和形状系数s)、平面分布分维Dgp、定向分维Dgdi；孔隙的大小参数(平均径φp、标准偏差s.dp、偏度SKp和尖度Kp)、平面分布分维Dpp、定向分维Dpdi；和填隙物的含量(w)及平面分布分维(Dsp)。粒度分布参数反映了砒砂岩成岩环境与水动力条件应该是以河流相沉积为主；兼有一定时期的湖(海)相沉积。颗粒、孔隙与填隙物的分形参数具有良好的分形特征，表明砒砂岩成岩作用是一个自组织的行为过程。
然后，选用砒砂岩的17个结构参数作为分类属性指标，对16组砒砂岩样进行了模糊动态聚类，确定λ的最佳阈值(λ=0.7047)，把砒砂岩样分为10个类别，依次为：灰白色砂岩、灰白一紫红色交错互层砂岩、紫红泥岩、紫红泥质砂岩、紫红砂质泥岩、紫红砂岩、浅灰绿色砂岩、粉色砂岩、紫色砂岩夹灰白砂岩团块、褐绿色砂岩。这一分类结果既有微结构特征依据，又符合现实情况。
继而，选取不同类别的砒砂岩进行了力学强度与结构特征的相关分析，分析表明砒砂岩之间的力学强度差异是由于其结构差异所导致的。对砒砂岩抗压强度有影响的结构参数分别是：颗粒起伏分维、填隙物含量、孔隙定向分维、颗粒形状参数s、颗粒丰度、孔隙平面分维和颗粒定向分维。其中又以前4个结构参数对抗压强度的影响最大。对砒砂岩抗剪强度影响较大的结构参数主要是颗粒定向分维、孔隙平面分布分维、颗粒表面起伏分维和孔隙定向分维，其中又以颗粒定向分维对内聚力(c)的作用显著，孔隙定向分维对内摩擦角(Φ)的影响最大。
最后，选定砒砂岩力学强度作为抗侵蚀性的衡量指标，分析与探讨了砒砂岩抗侵蚀性的结构特征，认为砒砂岩整体抗侵蚀性较低和砒砂岩之间抗侵蚀能力的差异都与其结构特征有着密切的联系。
(1)砒砂岩是一种河流相沉积为主，兼有湖(海)沉积的混合沉积砂(泥)岩。其结构特征是岩石内部的颗粒分布离散、不紧凑，颗粒排列方向混乱、定向程度低；孔隙离散程度低，定向程度较高，易于在岩石内部形成大孔隙和喉道(微裂隙)等弱结构组织；此外，填隙物含量高，且分布广泛。具有这些结构特征的砒砂岩，与那些矿物颗粒堆积密集且定向程度高、孔隙数目少且定向性差、填隙物含量少且分布不发育的基岩相比较，指示了砒砂岩只能是作为一种低成岩度、松散结构的沉积岩而存在，不可能是一种高致密、高强度的抗侵蚀性强的岩石。
(2)砒砂岩之间侵蚀程度不一，在于彼此抗侵蚀性有强弱之分，而其内部的结构根源在于砒砂岩之间的结构特征存在水平不等的差异。可以利用引起砒砂岩力学强度差异的结构参数来评价砒砂岩之间的抗侵蚀性能的强弱。导致砒砂岩抗侵蚀性能差异的结构参数主要有：颗粒起伏分维、填隙物的含量、孔隙定向分维和颗粒定向分维。反映在岩石结构特征方面就是填隙物含量少而颗粒多且有棱角、表面起伏复杂、定向性高，孔隙的定向程度差的砒砂岩相应发生重力、水力(冻融)侵蚀的可能性要小，其抵抗侵蚀的能力要强；反之亦然。
通过探讨了砒砂岩微观结构特征对其抗侵蚀性的影响，对于治理该地区岩土侵蚀问题得到初步的认识。低抗侵蚀性的砒砂岩与恶劣的外部自然环境构成了“内弱外强”的侵蚀态势，是该地区容易发生岩土侵蚀以及岩土侵蚀极为严重的根本原因。对于“内弱外强”侵蚀态势的砒砂岩地区，要治理该地区严重的岩土侵蚀现象的途径无非是保护“内弱”或者抑制“外强”，而恶劣的外界自然环境在人类历史年代是不以人的意志而改变，故而只能采取保护“内弱”，尽量把该地区的人类活动控制在较低水平以下，以不去人为干扰与破坏砒砂岩为最佳。