赤水丹霞地貌区红层风化特性研究

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本文从研究区风化条件、风化类型、风化影响要素以及风化定量分析等多角度深入地对赤水丹霞地貌区风化特性展开讨论。主要分析了研究区气候气象、地层岩性、地形地貌、水文地质条件以及生态环境等多方面风化条件;主要测定了红层含水率、吸水性、耐崩解性、单轴抗压强度、抗剪强度等基本性质;利用X-射线荧光光谱法、电镜扫描、偏光显微镜等手段分析了红层的化学成分、矿物成分和显微组构等基本特征;结合红层岩性、风化环境分析了研究区主要风化类型的特征以及其形成原因、破坏模式、防护措施等;通过改变环境温度和水的室内试验以及对红层边坡野外原位监测来探讨了研究区红层风化影响要素;建立了适合分析研究区砂岩并具有较高敏感性的化学风化指数来定量分析砂岩的风化,其中通过对用量、溶解、显色等关键步骤的分析与讨论,建立了邻菲啰啉分光光度法测定红层砂岩中微量Fe2+和全铁的化学分析方法。主要研究成果如下:(1)赤水丹霞地貌区温度高、雨量充沛、植被茂盛、空气潮湿的特点,为风化作用提供了环境基本条件。三合组和窝头山组地层结构的差异,红层基本性质、化学成分、微观结构的差异导致红层的差异风化。研究区经历过多次不同方向的构造作用,对岩体产生节理裂隙,对岩石风化具有重要的促进作用。除此之外,当地82%以上的森林覆盖率,上千余种野生动物,对当地生物风化有着重要的影响作用。因此,研究区气候气象、地层结构、地层岩性、植被、生物等对红层风化均产生不同程度的影响,为红层风化提供了基础条件。(2)赤水丹霞地貌区红层砂质岩与泥质岩含水率、吸水性、耐崩解系数等基本物理性质的差异,Si O2、Al2O3、TFe2O3、K2O等化学成分的差异,矿物含量、石英粒度、磨圆度、颗粒接触方式、胶结类型等微观结构的差异导致砂质岩抗风化能力与泥质岩抗风化能力的差异。红层越亲水、黏土矿物成分越高、石英粒度越小其力学性质越差,抗风化能力越弱。通过分析赤水丹霞地貌区红层砂岩的矿物含量、石英粒度、颗粒接触方式、胶结类型等显微组构,发现研究区主要分布长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩、泥质砂岩四类红层砂质岩。(3)研究区风化类型主要受气候气象、地层岩性以及地形地貌的影响,主要有物理风化主导的差异风化、岩槽、表层薄片状剥离、球状风化;化学风化主导的溶蚀现象、蜂窝状风化;生物风化主导的根劈作用、有机酸腐蚀等。差异风化、岩槽、球状风化是研究区最常见的风化现象,也是对岩体稳定性影响最大的风化类型。各种风化作用之间的关系很密切,它们往往同时进行、互相影响、互相促进,是一个复杂的统一过程。(4)通过室内持续高温、高温-低温循环、干湿循环等不同环境下加速砂岩风化,其相关性质发生劣化。研究表明,红层风化与微观结构、风化环境有着密切的关系。裂隙结构损伤、裂隙增生、扩张、颗粒差异膨胀、水化反应等造成红层结构逐渐退化,质量损失增大,对砂岩强度、密度劣化具有显著的影响。夏季40℃以上高温持续暴晒超过半个月对砂岩强度劣化作用较显著。(5)红层崩解与泥岩含水率有着密切的关系。天然状态下新鲜泥岩耐崩解性最大,降低泥岩含水率或加大泥岩体含水率相对差,将导致泥岩的耐崩解能力下降。泥岩吸水时,宏观裂隙增生、扩张发生“倾倒”“崩塌”软化崩解现象。在红层边坡原位监测中,在高温多雨的季节红层边坡后退程度最为显著,且红层后退速率随着风化程度的加深而增快。红层边坡主要以强风化泥岩崩落、砂岩掉块为主,边坡后退速率约为0.4~3.5cm/a,平均速率为1.0cm/a。(6)测定砂岩垂直方向上主量元素,通过18种常用化学风化指数计算公式计算对应的化学风化指数,其中CIA、CIW、MWPI、烧失量等9种化学风化指数在砂岩深度上做出了反映。本章建立的Fe2+/Fe3+与上述9种常见化学风化指数在对砂岩垂直深度上风化程度的划分结果基本一致,可将赤水丹霞地貌区裸露砂岩的风化带划分为:0~5cm表层强风化带;5~15cm中风化带;大于15cm深度的微风化带。Fe2+/Fe3+化学风化指数方法的建立为分析研究区其他风化类型的风化特征提供了重要的研究方法。(7)通过对用量、溶解、显色等关键步骤的分析与讨论,建立了邻菲啰啉分光光度法测定红层砂岩中微量Fe2+和全铁的化学分析方法,该分析方法测定红层砂岩中微量Fe2+和全铁精准度高、可操作性强。实现了同一溶清液的多目标测定,很大程度上解决了实验操作复杂、试剂繁杂等问题。应用该方法测得赤水丹霞地貌区砂岩全铁质量百分含量在0.7%~1.5%之间;Fe2+质量百分含量在0.01%~0.1%之间;Fe3+在0.7%~1.5%之间。
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