北京沙河—八仙莊地面沉降區粘土礦物分析

田 芳，羅 勇，楊 艷，姜 媛，周 毅

（1.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195；2.中科院地質與地球物理研究所，北京 100029；3.北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

0 引言

弱透水粘性土層是北京地面沉降的主要壓縮層。如以地面沉降監測站F3站中各分層標2008－2010年的壓縮變形量占3年總沉降量的百分比為例，F3-7監測層位64.5～82.3m的巖性主要為粘土和粉粘，比值為20%，F3-5監測層位102～117m，基本上是厚層的粉質粘土，比值為29.9%，而F3-8監測層位48.5～64.5m以細砂和粗砂為主，比值僅為0.8%。因此，粘性土層的變形特征應作為北京地面沉降基礎研究中的一個重要組成部分。壓縮層的粘粒含量和礦物成分是土層形變的微觀信息，分析研究這些微觀信息的作用特點，有助于定性或定量了解地面沉降的范圍、速率和幅度[1]。粘性土壓縮層的礦物成分以次生的粘土礦物為主。目前，粘土礦物分析應用廣泛，主要包括古環境古氣候研究[2～4]、石油地質研究[5～6]和污染環境修復研究[7～8]等，但在地面沉降領域中的研究并不多見。有研究認為粘土礦物含量、組合和土體微結構類型是在相同外界條件下引起地面沉降差異的主要因素。本文從沙河—八仙莊地面沉降區內的四個鉆孔取粉質粘土樣共計20件，進行了X射線衍射實驗，從粘土礦物成分和含量入手探討了其對地面沉降的影響。

1 粘土礦物對地面沉降的影響研究

室內試驗和原位分層壓密測量表明，在較低的有效應力增長條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用[9]。主要原因在于粘性土層的顆粒組成中以細粒為主，孔隙率較高，容易被壓縮。試驗結果表明，在同一級壓力和初始含水率相近的條件下，隨著粘粒含量增大，壓縮性顯著增大。因而，粘粒含量的多寡是粘性土層固結壓縮性的主要影響因素之一。粘土礦物是土中粘粒的主要礦物成分，顆粒極細，一般粒徑小于2μm，盡管在土中的相對含量不大，但是對土的工程性質有極大的影響[10]。

粘土礦物對地面沉降研究的意義，在于其層狀晶格結構不同而表現出不同的物理力學性質（吸水性、釋水性、可塑性、壓縮性和滲透性等）。粘土主要類型有伊利石、高嶺石、蒙脫石和綠泥石等。高嶺石的水穩性好，可塑性低，壓縮性低，親水性差。蒙脫石具有高塑性、高壓縮性、低強度、低滲透性。伊利石的性質介于高嶺石和蒙脫石之間，屬于較不穩定的中間產物，可塑性較低，遇水膨脹和脫水收縮的能力低于蒙脫石。伊/蒙混層礦物也是一種常見的粘土礦物，是伊利石和蒙脫石兩個端源礦物之間的過渡礦物，也具有較強的親水性。

有關“粘土礦物與地面沉降”的文獻主要涉及以下內容的研究。①粘土礦物類型、含量及分布特征。蒙脫石、伊利石和高嶺石含量上的差異會導致釋水后土層的壓縮性有所不同。如淮南新集地區以伊利石為主的粘性土的壓縮性明顯高于以石英+高嶺石為主的粘性土[11]，衡水市沉降區漏斗中心黏性土樣品中伊利石和綠泥石等黏土礦物質量分數較高的土樣壓縮系數也較大，而石英和長石質量分數較高的土樣其壓縮系數較低[12]。薛傳東等（2001）研究了昆明盆區第四系粘性土中粘土礦物的礦物學、微結構等特征，認為粘土礦物含量、組合和土體微結構類型是在相同外界條件下引起地面沉降差異的主要因素[13]。②蒙脫石的脫水作用對地面沉降的影響。Liu等（2001）通過對臺灣云林地區蒙脫石脫水的模擬計算，認為蒙脫石脫水所造成的土體體積的減少量約占主固結量的50%[14]。楊獻忠等（2003，2005，2006）較為系統的研究了對蒙脫石脫水作用對地面沉降的影響，用蒙脫石層間水化狀態修正了土壤孔隙率的計算方程，以此建立蒙脫石層間脫水作用所產生的次要地面沉降量的數學表達式，并對無錫石塘灣地面沉降區進行了模擬計算。他們假設蒙脫石殘余層間水全部釋出，預測無錫石塘灣地區可能有117.39cm的地面沉降空間，結果對下一步地面沉降災害的治理、防治具有一定的警示作用[15～17]。

從上可以看出，獲得粘性土中粘土礦物的類型和含量是進行粘土礦物對地面沉降影響研究的基礎。因此，本次工作從包含北京市累積沉降量最大點的沙河—八仙莊地面沉降區內取粘性土樣做X射線衍射測試，獲取該沉降區內100m以淺地層內粘性土的粘土礦物成分及含量。

2 環境地質背景及采樣

測試樣品來自于昌平沙河—八仙莊地面沉降區1#、2#、3#和4# 4個鉆孔（圖1），共20個樣品，取樣深度為10～100m。從第四紀地層分區來看，1#孔和2#孔都位于溫榆河沖洪積扇，其中前者位于馬池口次區，后者位于小湯山次區。3#和4#孔都位于潮白河沖洪積扇的懷柔次區，靠近潮白河沖洪積扇和溫榆河沖洪積扇的交界部位。整體來看，這4個孔所在地區第四紀地層發育齊全，第四系厚度大于100m。謝振華等曾經在北京平原區15眼鉆孔0～15m深度內取樣做過粘土礦物實驗，結果表明，所有樣品的粘土礦物類型均為伊利石/蒙脫石混層礦物+伊利石+高嶺石+綠泥石的組合，即北京市平原區整體沉積環境相同，同屬于一個沉積系統[18]。

樣品采集所在的沙河—八仙莊地面沉降區（圖2）形成時期大約在上世紀70年代末到80年代初。到1999年底，該沉降區最大累計沉降量達到688mm，2012年則達到1414mm，是平原區累計沉降量最大點。近幾年，該沉降區向西部擴展明顯，尤其是海淀山后蘇家坨地區2011年和2012年的年沉降速率都超過了100mm/a。盡管沙河—八仙莊沉降區形成時間相對較晚，但是沉降速率大、沉降范圍擴展明顯。在此沉降區內采集粘性土樣做粘土礦物分析，將有助于從微觀層面上分析區內土體變形特征。

圖1 取樣點在北京市第四系地層分區內的位置

圖2 取樣點所在地區的累計地面沉降量（1955～2012）分布

3 結果分析

各孔樣品測試結果及礦物相對含量見表1,粘土礦物總量及相對含量隨深度變化見圖3～6。

綜合這4個孔的測試數據可以發現：所有樣品，盡管取樣地點和取樣深度不同，但是粘土礦物組合形式均為伊利石/蒙脫石混層礦物（I/S）+伊利石（I）+綠泥石（C）+高嶺石（K），以伊蒙混層礦物占絕對主導，同一類型的粘土礦物相對含量的變化范圍相差不大。這與前人在北京平原區開展的粘土礦物測試獲得的結論是一致的[18]。伊蒙混層礦物和伊利石都具有很強的親水性，能夠形成的結合水膜愈厚，尤其在飽和可塑的狀態下，則土的壓縮量越大，固結較慢。高嶺石礦物本身的結構穩定，與水的作用較弱，由其組成的土體結構穩定，工程性質較好。因此，從所采集樣品粘土礦物的類型和含量來看，沙河—八仙莊地面沉降區內100m以淺深度范圍內的粉質粘土有利于土的壓縮。

4 結論

圖3 1#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖4 2#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖5 3#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖6 4#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

表1 樣品測試結果及礦物相對含量表

北京沙河—八仙莊地面沉降區10～100m深度內共采集了20個粉質粘土樣進行了X衍射實驗，結果表明它們的粘土礦物組合形式均為伊/蒙混層礦物（I/S）+伊利石（I）+綠泥石（C）+高嶺石（K），并以伊蒙混層礦物占絕對主導。這樣的粘土礦物組成是有利于地面沉降形成和發展的。本文只從粘土礦物含量和成分的角度分析了其對地面沉降的影響，下一步還需結合地面沉降監測站內分層標監測數據研究粘性土的固結壓縮特征。

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