永勝縣龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和成因淺析

夏偉　張洪銘　肖文剛

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局勘察設(shè)計(jì)研究院　云南省　昆明市　650041　2.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司　云南省　昆明市　650041）

永勝縣龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和成因淺析

夏偉1張洪銘2肖文剛1

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局勘察設(shè)計(jì)研究院云南省昆明市6500412.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司云南省昆明市650041）

鈣質(zhì)膠結(jié)是龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程中常見(jiàn)的區(qū)域性特殊結(jié)構(gòu)，其有著特殊的形成機(jī)理和分布規(guī)律。在明渠開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)工程地質(zhì)測(cè)繪勘察、地質(zhì)素描的綜合分析，并參閱相關(guān)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)資料，對(duì)龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，初步分析鈣質(zhì)膠結(jié)的形成原理，得出鈣質(zhì)膠結(jié)是成土作用和成巖作用共同參與的結(jié)果。

鈣質(zhì)膠結(jié)；明渠開(kāi)挖；成土與成巖作用

引言

工程區(qū)位于青藏高原與云貴高原接壤的斜坡過(guò)渡地帶，屬滇西縱谷山區(qū)及滇中紅層高原區(qū)地貌單元，以冰蝕、侵蝕、剝蝕地貌為主，海拔高程在1170～1330m之間，氣候類(lèi)型屬南亞熱帶低緯度山地季風(fēng)氣候。光熱資源豐富，光照充足，年日照時(shí)數(shù)1900～2100h。多年平均氣溫20.4℃，最熱月6月平均氣溫25.5℃，最冷月1月平均氣溫12.6℃。渠線(xiàn)總體屬剝蝕、溶蝕中低山地貌，渠線(xiàn)地形普遍較陡，自然坡度20～40°，局部達(dá)60～70°，局部地形平緩開(kāi)闊，自然坡度在20°以下，工程沿線(xiàn)地表大部分為第四系金沙江階地堆積礫石層及第四系殘坡積層、洪沖積砂卵礫石層覆蓋，工程具有特殊性，在渠道工程區(qū)域內(nèi)的礫石具有地表膠結(jié)且只分布在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地的獨(dú)特沉積特征，據(jù)工程明渠開(kāi)挖揭露，在不同樁號(hào)、不同深度出現(xiàn)了次生、表生膠結(jié)體，主要以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。

1　鈣質(zhì)膠結(jié)的類(lèi)型與分布

1.1鈣質(zhì)膠結(jié)體的成分與類(lèi)型

膠結(jié)體的成分較復(fù)雜，主要為砂巖、玄武巖及灰?guī)r扁豆體為主。膠結(jié)體母巖較堅(jiān)硬且富鈣質(zhì)、鐵質(zhì)，而更老的地層則多為松散狀。膠結(jié)體中礫石直徑達(dá)3～10cm；有些地段礫石非常細(xì)，小于1cm，以細(xì)礫、粗砂為主，甚至中細(xì)砂也出現(xiàn)膠結(jié)現(xiàn)象。

鈣質(zhì)膠結(jié)體個(gè)體粒徑大小不一，最小的約1cm，最大的呈整塊發(fā)育，體積達(dá)0.5m3，但5～20cm左右的最為常見(jiàn)。綜合工程沿線(xiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育程度，可將其分為兩類(lèi)：①以姜狀和不規(guī)則的球狀為主，經(jīng)固結(jié)、硬化作用成形，呈暗褐色，表面可見(jiàn)細(xì)小氣孔，經(jīng)錘擊發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)膠結(jié)體質(zhì)地內(nèi)密外疏，固結(jié)程度內(nèi)好外差；②體積較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地均一，固結(jié)和結(jié)晶程度較差，且具有個(gè)體越大結(jié)晶程度越差的特點(diǎn)，橫斷面有較平整的礫狀斷口，顏色呈灰白色。

1.2鈣質(zhì)膠結(jié)體的分布

分布在沿金沙江Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地洪枯水位之間，區(qū)域性差異明顯。工程區(qū)內(nèi)膠結(jié)體的成層性、分選性較差，呈條帶狀、透鏡狀分布。沉積規(guī)模較小，厚薄不均且具多個(gè)沉積旋回。長(zhǎng)度上，有些開(kāi)挖面長(zhǎng)幾百米，短的約十幾米。厚度上，厚的達(dá)5m以上，薄的僅30～40cm，甚至更薄。在渠道的開(kāi)挖斷面上常見(jiàn)有礫石、砂二元結(jié)構(gòu)組成的多個(gè)沉積旋回。

總之，隨著渠道水力坡度的降低，開(kāi)挖渠道底板高程逐漸降低，沿線(xiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)、變厚；隨著開(kāi)挖渠道越往末端越接近金沙江，階地逐漸向Ⅰ級(jí)階地過(guò)度，鈣質(zhì)膠結(jié)的體積逐漸變大，埋深逐漸變淺，整體呈地勢(shì)低處埋藏淺，地勢(shì)高處埋藏深的趨勢(shì)。

2　鈣質(zhì)膠結(jié)的成因初步分析

2.1鈣質(zhì)膠結(jié)的成分來(lái)源及地下水環(huán)境

鈣質(zhì)膠結(jié)中的鈣質(zhì)成分多來(lái)源于古金沙江水中的Ca2+，以及周?chē)妓釒r鹽的補(bǔ)充參與，江水中的中鈣離子的濃度變化成為制約碳酸鈣能否沉積與鈣質(zhì)膠結(jié)大小的關(guān)鍵性因素。

金沙江上游沿岸中生代侏羅系砂頁(yè)巖、灰?guī)r富含鈣質(zhì)，為礫石膠結(jié)提供了豐富的鈣質(zhì)來(lái)源。但工程區(qū)膠結(jié)只分布在Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，而高級(jí)階地多為松散礫石層，說(shuō)明獨(dú)特的氣候是主要原因。

砂礫石的成巖作用發(fā)生于堆積以后，其堆積時(shí)期的古環(huán)境有著非常重要的作用，探查有關(guān)資料及前人研究成果，推測(cè)膠結(jié)體堆積年代距今約1萬(wàn)～4萬(wàn)年?？偟墓艢夂虮尘俺尸F(xiàn)干旱特征；距今3.5萬(wàn)年左右古氣候相對(duì)暖濕，是金沙江高水位期，金沙江礫石在該時(shí)段大量堆積。全新世初，氣候較干冷，降水及氣溫都有所減小，從距今1萬(wàn)年左右的全新世開(kāi)始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉(zhuǎn)暖，降水增加，金沙江發(fā)生古洪水，形成Ⅰ級(jí)階地河漫灘堆積。

末次冰期晚期全球氣候干冷，降水減少；但本區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，降水比間冰期少，但還是比高緯度多，只是水量小且運(yùn)行緩慢，巖土不斷溶解提供Ca2+和。此外，上游沿岸及沿岸出露的古生代中生代富含鈣質(zhì)的砂巖、泥巖、二疊系富含鐵錳質(zhì)的玄武巖及其風(fēng)化形成的土壤為地下水、地表水提供了豐富的鈣質(zhì)來(lái)源，在干冷氣候背景下，河流水位下切，Ⅰ級(jí)階地上相對(duì)暖濕階段堆積的礫巖層出露在水面以上。在當(dāng)時(shí)干冷氣候條件下，空氣干燥，溫度低，礫石層水分不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致碳酸鈣過(guò)飽和而沉積與砂礫石混合，隨著時(shí)間的推移，不斷蒸發(fā)、淋濾作用下，碳酸鈣沉積越來(lái)越多，與砂礫石膠結(jié)程度越來(lái)越緊密，形成了如今的明渠開(kāi)挖出露的鈣質(zhì)膠結(jié)體。

2.2鈣質(zhì)膠結(jié)的形成機(jī)理

鈣質(zhì)膠結(jié)主要是碳酸鈣組成的膠結(jié)狀自生沉積物，工程區(qū)的鈣質(zhì)膠結(jié)主要是在低地的河流階地土壤中由蒸發(fā)或者淋濾作用而形成的，鈣質(zhì)膠結(jié)礫石的初始形態(tài)主要為球形狀或者近于球形狀，表面比較光滑，后來(lái)由于膠結(jié)作用，使許多球狀鈣質(zhì)結(jié)核連接在一起，而形成不規(guī)則的較大鈣質(zhì)膠結(jié)。

把水環(huán)境看做一個(gè)開(kāi)放的溶液系統(tǒng)，把鈣質(zhì)膠結(jié)的形成過(guò)程看做一種結(jié)晶過(guò)程，鈣質(zhì)膠結(jié)持續(xù)形成的過(guò)程就是CaCO3不斷結(jié)晶富集沉積的過(guò)程，在水環(huán)境開(kāi)放系統(tǒng)中，CaCO3的溶解與沉淀存在著平衡，反應(yīng)式如下：

從平衡方程可以看出，在水溶液為鈣離子所飽和的情況下，若要使CaCO3不斷結(jié)晶，即平衡向左移動(dòng)，需滿(mǎn)足下面2個(gè)條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的降低或水分的蒸發(fā)作用有利于沉淀的產(chǎn)生，類(lèi)似地，土壤的高pH值也將促使平衡向左移動(dòng)，使CaCO3的過(guò)飽和濃度增大。

（2）若要使CaCO3持續(xù)沉淀，即膠結(jié)不斷長(zhǎng)大，還需含有Ca2+和離子的水不斷補(bǔ)充，即其它處的碳酸鈣不斷轉(zhuǎn)化為重碳酸鈣，且通過(guò)運(yùn)移在土層一定深度集中富集。

同理，從平衡方程可以看出，若要使CaCO3不斷溶解，即平衡右移動(dòng)，需滿(mǎn)足下面2個(gè)條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的升高（當(dāng)成巖物質(zhì)被覆蓋之后，由于厭氧細(xì)菌的作用，有機(jī)質(zhì)腐爛分解，CO2等氣體）或降水作用有利于沉淀的溶解。

（2）若要使CaCO3持續(xù)溶解，即膠結(jié)體溶解，還需降低Ca2+和離子濃度，即增加溶液的量。

3　結(jié)論

龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)氣候從古至今很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)比較炎熱，全年溫差小，且蒸發(fā)量大于降雨量，導(dǎo)致水分大量蒸發(fā)，有利于CaCO3的結(jié)晶沉積，這是一種成巖作用，此時(shí)沉積物質(zhì)發(fā)生重新分配、組合，膠體礦物脫水陳化、壓縮膠結(jié)，最終固結(jié)為巖石。

龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)氣候從距今1萬(wàn)年左右的全新世開(kāi)始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉(zhuǎn)暖，降水增加，CaCO3逐漸溶解為Ca2+和離子，淋濾進(jìn)土層，在土層中運(yùn)移富集，這是一種成土過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，伴隨著土壤淋溶作用和脫鈣作用的進(jìn)行，CaCO3逐漸溶解從而大量流出，從土壤表層向下遷移的鈣便在一定深度上又積聚起來(lái)。在長(zhǎng)時(shí)間的蒸發(fā)、淋濾作用下，形成了工程區(qū)不同樁號(hào)、不同深度的鈣質(zhì)膠結(jié)體。

綜上所述，龍開(kāi)口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)膠結(jié)體的形成是成巖作用與成土作用共同參與的結(jié)果。

致謝：本文完成之際，首先感謝高工龐崇林對(duì)我的培養(yǎng)指導(dǎo)和支持，本文從選題、理論研究到寫(xiě)作完成得到龐高工不斷的啟發(fā)和耐心的指導(dǎo)。龐高工寬厚的學(xué)識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度將使我受益終身，值此文完成之際，謹(jǐn)向龐高工致以誠(chéng)摯的敬意！

[1]曹亞娟.安徽淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的分布及成因研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，2009.

[2]劉良梧.砂姜黑土形成的歷史過(guò)程[M].淮北地區(qū)水土資源開(kāi)發(fā)與治理研究.北京：科學(xué)出版社，1992：136～145.

[3]唐洪明，主編.礦物巖石學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007，12.

[4]施國(guó)軍，吳道詳，徐東生，王國(guó)強(qiáng).淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和成因分析[N].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，11，33（11）.

[5]（英）配蘭特（Pellant，C）著.臺(tái)灣貓頭鷹出版社譯.巖石與礦物[M].北京：中國(guó)友誼出版社公司，1999，8.

TV223.1

A

1673-0038（2015）28-0288-02

2015-6-1

夏偉（1986-），男，云南建水人，助理工程師，本科，從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。

張洪銘（1982-），男，河南商丘人，工程師，碩士，從事環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究與工程設(shè)計(jì)工作。

肖文剛（1982-），男，云南景東人，助理工程師，大專(zhuān)，從事工程測(cè)繪與設(shè)計(jì)工作。