貴州施秉白云巖溶蝕特性及孔隙特征實(shí)驗(yàn)研究

劉 琦 ,顧展飛 ,盧耀如 ,劉之葵

1)同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092;2)教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心,上海 200092;3)桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林 541004

世界上卓越的喀斯特地貌多是發(fā)育在石灰?guī)r地區(qū)或白云質(zhì)灰?guī)r地區(qū),在相對(duì)不可溶的白云巖地區(qū),喀斯特發(fā)育程度總體比較微弱。而貴州施秉白云巖喀斯特卻是一個(gè)特例,不僅孕育了茂密的森林植被,還發(fā)育了獨(dú)特而壯觀的脊?fàn)钌椒迮c樹(shù)枝狀水系組合而成的白云巖峰叢峽谷喀斯特地貌。施秉白云巖例證了在特定的自然地理背景及構(gòu)造基礎(chǔ)上亦能發(fā)育典型、壯觀的喀斯特地貌,是世界白云巖喀斯特地貌的杰出代表。目前,對(duì)于施秉白云巖喀斯特的研究,多是從地理學(xué)角度入手,如熊康寧等(2009)、李世奇等(2012)、李高聰?shù)?2013)先后從氣候、巖性純度、地層構(gòu)造特征、地貌演化歷史、地貌演化規(guī)律,與石灰?guī)r地貌差異等方面,對(duì)施秉喀斯特世界遺產(chǎn)地貌價(jià)值方面作過(guò)一些研究。但還沒(méi)有學(xué)者對(duì)施秉白云巖進(jìn)行溶蝕機(jī)理和喀斯特發(fā)育規(guī)律方面的研究,特別是溶蝕特性、巖性與孔隙結(jié)構(gòu)特征之間關(guān)系作過(guò)相關(guān)的研究。

喀斯特的研究主要分為溶蝕機(jī)理理論研究和喀斯特探測(cè)方法研究?jī)蓚€(gè)方面,碳酸鹽的溶蝕實(shí)驗(yàn)屬于理論研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。以往的學(xué)者對(duì)于碳酸鹽的溶蝕特性做了大量的實(shí)驗(yàn),并取得了較多成果。何宇彬等(1984)研究了碳酸鹽巖巖體結(jié)構(gòu)對(duì)比溶蝕度、比溶解度的影響。朱真(1999)通過(guò)對(duì)廣西碳酸鹽溶蝕實(shí)驗(yàn)研究,分析了巖性對(duì)比溶蝕度、比溶解度的影響因素。肖林萍等(2002)通過(guò)建立溶蝕作用的熱力學(xué)模型方程,在實(shí)驗(yàn)室模擬研究碳酸鹽巖溶蝕作用過(guò)程。結(jié)果表明白云巖的溶解速率隨溫壓的升高而增大。黃思靜等(1996)通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究石膏對(duì)白云巖溶解的影響,發(fā)現(xiàn)白云巖中石膏可加速白云石的溶解,隨著溫度和壓力的升高,石膏對(duì)白云巖溶解的積極作用逐漸降低。黃尚瑜等(1987)研究表明白云巖有利溶蝕溫度較石灰?guī)r高,白云巖巖溶發(fā)育受高溫影響較大。劉琦等(2010)曾研究不同時(shí)期、不同動(dòng)水壓力條件下,碳酸鹽巖的滲透溶蝕變化過(guò)程。結(jié)果表明對(duì)于溶蝕速率有重要影響的是沿巖石內(nèi)部孔隙的滲透溶蝕。翁金桃(1984,1985)在室內(nèi)模擬了白云巖溶蝕過(guò)程,認(rèn)為白云巖主要沿晶間孔隙或晶體結(jié)合面溶蝕。張良喜等(2012)通過(guò)白云巖室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)及微觀溶蝕機(jī)理研究,表明在水化學(xué)作用下白云石晶體內(nèi)部各類節(jié)理裂隙首先溶蝕。Dreybrodt等(1996),Gautelier等(1999),Kaufmann(2003),Arvidson等(2003)在室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn),碳酸鹽巖的溶蝕速率與巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)特征、溶蝕試驗(yàn)介質(zhì)的濃度、溶液反應(yīng)溫度以及CO2分壓等有著密切關(guān)系。

現(xiàn)有的研究多是從溶蝕速率的研究進(jìn)行入手,基于碳酸鹽所處的溫度、濕度、pH等原始環(huán)境,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和裝置等方面進(jìn)行研究。而對(duì)巖石的孔隙特征及連通情況考慮較少,因而有必要從宏觀和微觀的角度分析巖石的溶蝕性與微觀孔隙發(fā)育特征、孔隙連通情況的關(guān)系。本文以貴州施秉白云巖為研究對(duì)象,先分析其礦物成分和化學(xué)成分,然后進(jìn)行溶蝕實(shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn)。根據(jù)巖石的物質(zhì)成分和孔隙特征,探討和分析白云巖的溶蝕特性跟孔隙特征之間的關(guān)系,以期為該地區(qū)獨(dú)特地貌的成因提供理論依據(jù)。

施秉喀斯特位于貴州省東部施秉縣北部,地處云貴高原東部邊緣向湘西低山丘陵過(guò)渡的山原斜坡地帶。地勢(shì)北高南低,海拔600～1250 m,屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū),年均溫16℃,年均降水1220 mm,森林覆蓋率93.95%。施秉喀斯特發(fā)育的地層巖性主要是寒武系高臺(tái)組灰色、質(zhì)純、致密的薄層細(xì)粒白云巖,巖石整體破碎。地下水主要為巖溶裂隙水,白云巖以溶孔和溶隙為主,含水性較均一,主要靠大氣降水垂直分散滲入和外源水補(bǔ)給。該地區(qū)的主體景觀是峽谷喀斯特,分布面積最大的地貌類型是峰叢峽谷。

1 實(shí)驗(yàn)樣品的鑒定

在研究區(qū)內(nèi)取巖樣 8組,巖樣取回后做切片,先在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行巖石礦物成分分析,得出巖石的巖性及名稱。然后送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)成分分析,得出各化學(xué)成分的含量,鑒定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 施秉地區(qū)巖樣巖性及化學(xué)成分分析表Table 1 Chemical composition and mineral structure characteristics of rock specimens

2 溶蝕實(shí)驗(yàn)

2.1 溶蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

施秉白云巖以溶孔和溶隙為主,含水性較均一,主要靠大氣降水和外源水補(bǔ)給。外源水是指從巖溶水文系統(tǒng)之外非碳酸鹽地區(qū)的地表集中性的水流,其具有以下兩方面的特征:①向巖溶水文系統(tǒng)輸入大量物質(zhì)和能量,外源水水流集中、能量大,還攜帶可溶物質(zhì)和非可溶物質(zhì)。②外源水侵蝕能力強(qiáng),水中還含有有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸,CO2含量也高(郭純青,2007)。碳酸溶蝕在自然界分布十分普遍,它發(fā)生在CO2-H2O-CaCO3-MgCO3體系中。

為模擬外源水對(duì)白云巖的溶蝕特性,采用室內(nèi)靜態(tài)溶蝕的實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)排除碳酸中CO2易于揮發(fā)的影響,以及硫酸中SO42-的混合溶蝕效應(yīng),并且為了加快反應(yīng)速度,采用了較穩(wěn)定的鹽酸進(jìn)行溶蝕實(shí)驗(yàn)。將所取巖樣制成2 cm×1 cm×0.5 cm的長(zhǎng)方體,然后進(jìn)行溶蝕實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

①巖樣用游標(biāo)卡尺測(cè)量和蒸餾水沖洗后,置于烘箱內(nèi)烘干12小時(shí),在干燥器內(nèi)冷卻至室溫,稱重,記為m1;

②在干凈的燒杯中加入pH=2的鹽酸溶液50 ml,依次放入巖樣;

③在室溫條件下靜置48小時(shí)后,取出試樣,用蒸餾水洗凈后烘干,稱重,記為m2;

④m1-m2即為巖樣的溶蝕量,為消除巖樣體積差異的影響,本實(shí)驗(yàn)特求出單位表面積的溶蝕量。

2.2 溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖1 溶蝕量與CaO和MgO含量的關(guān)系Fig.1 The relationship between dissolution quantity and CaO and MgO content

實(shí)驗(yàn)后的溶液分別用 0.025N EDTA溶液進(jìn)行滴定,測(cè)出溶液中Ca2+和Mg2+的濃度,結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2知:細(xì)晶白云巖巖樣單位表面積溶蝕量的大小順序?yàn)?GSB-1＞GHJ-1＞GHJ-7＞GSB-4;極細(xì)晶白云巖巖樣單位表面積溶蝕量的大小順序?yàn)?GSB-5＞GSB-11＞GSB-10＞GSB-6。且極細(xì)晶白云巖的單位表面積溶蝕量普遍要大于細(xì)晶白云巖巖樣單位表面積溶蝕量,即白云巖巖樣晶粒越細(xì),單位表面積溶蝕量越大。在晶粒相同的情況下,白云巖的溶蝕量主要與 CaO和 MgO的含量成正比,且MgO的含量影響較 CaO大,因?yàn)閮烧弑戎档淖邉?shì)跟單獨(dú)時(shí)相反(見(jiàn)圖1)。

但也存在個(gè)別例外,如極細(xì)晶白云巖中的GSB-10跟 CaO和 MgO的含量均不成比例關(guān)系,GSB-4跟 MgO的含量也出現(xiàn)偏差,這就說(shuō)明白云巖的溶蝕量不僅跟CaO、MgO的含量有關(guān),還有其他的影響因素。

根據(jù)表 2知:巖樣的干密度大小順序?yàn)?GSB-11＞GSB-5＞GSB-10。巖石的干密度,除與礦物組成有關(guān)外,還與巖石的孔隙性密切相關(guān),孔隙、裂隙越大,密度越小;反之,密度越大,孔隙、裂隙就應(yīng)該越小。一般來(lái)說(shuō),孔隙越大,單位表面積的溶蝕量就應(yīng)該越大。以此說(shuō)法,根據(jù)干密度確定的巖樣單位表面積溶蝕量的大小順序應(yīng)為:細(xì)晶白云巖中 GSB-1＞GHJ-1＞GHJ-7＞GSB-4,與實(shí)際情況相符。極細(xì)晶白云巖中 GSB-10＞GSB-5＞GSB-11,此順序與實(shí)際溶蝕量略有差異。

表2 施秉地區(qū)巖樣溶蝕實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Erosion quality of the sampling rocks in Shibing karst

由試驗(yàn)樣品的礦物成分和化學(xué)成分分析可知,實(shí)驗(yàn)所用樣品的化學(xué)成分主要為CaO、MgO和CO2,礦物成分主要為白云巖和方解石,兩者含量總和占樣品礦物的98%以上。因此溶液中Ca2+和Mg2+均應(yīng)出自樣品中方解石和白云石的溶解。具體化學(xué)反應(yīng)如方程式(1)和(2)所示。

一般研究認(rèn)為,巖樣礦物顆粒越細(xì),比表面積越大,單位表面積的溶蝕量越大;孔隙越大,單位表面積的溶蝕量也越大。韓寶平(1988)研究認(rèn)為:白云巖的溶蝕速度與結(jié)晶顆粒的增大呈反比,泥晶結(jié)構(gòu)白云巖的Kv(比溶蝕度)、Kcv(比溶解度)值要大于結(jié)晶白云巖。何宇彬(1997)統(tǒng)計(jì)資料表明:從巖石微結(jié)構(gòu)來(lái)看,隨著晶粒的增大,溶蝕速度逐減。朱真(1999)通過(guò)白云巖室內(nèi)溶蝕實(shí)驗(yàn)得出:晶粒愈細(xì),其比溶蝕度和比溶解度越大。本論文的大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也符合該規(guī)律,但也存在個(gè)別特例。這是因?yàn)榘自茙r溶蝕速率不僅受巖石礦物顆粒粒徑大小的控制,還受巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響,顆粒粒徑越大,孔隙度越高,連通性越好,越有利于巖溶水進(jìn)入,溶蝕量也就越大。為驗(yàn)證溶蝕性與孔隙之間的關(guān)系,以及孔隙類型和孔隙連通情況,特對(duì)以上巖樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)。

3 壓汞實(shí)驗(yàn)及孔隙特征分析

實(shí)驗(yàn)利用美國(guó)麥克儀器公司生產(chǎn)的全自動(dòng)型壓汞儀,最大壓力 228 MPa,孔徑分析范圍 5.5～360 μm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 施秉地區(qū)巖樣壓汞實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Mercury experiment of the sampling rocks in Shibing karst

門檻壓力是孔隙系統(tǒng)中最大連通孔隙相對(duì)應(yīng)的毛管壓力,主要反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)也反映巖石的滲透能力。門檻壓力越小,表明連通孔隙半徑越大,孔隙連通性越好,巖石孔隙的集中程度越高。以此說(shuō)法,細(xì)晶白云巖巖樣單位表面積溶蝕量的大小順序應(yīng)為 GSB-4＞GHJ-1＞GHJ-7＞GSB-1,該順序與實(shí)際情況不符;極細(xì)晶白云巖巖樣單位表面積溶蝕量的大小順序應(yīng)為 GSB-11＞GSB-5＞GSB-6＞GSB-10,該順序與實(shí)際情況也不符。但由于除 GSB-10號(hào)巖樣外,其他巖樣門檻壓力數(shù)值相差不是太大,故可認(rèn)為孔隙結(jié)構(gòu)特征及孔隙連通雖對(duì)白云巖溶蝕有一定影響,但不是主要因素。GSB-10號(hào)巖樣門檻壓力遠(yuǎn)大于其他巖樣,導(dǎo)致其孔隙特征的影響占據(jù)了主要地位,這也就可以解釋該巖樣為什么會(huì)出現(xiàn)特殊情況(圖2)。而 GSB-4號(hào)巖樣由于 SiO2和酸不溶物的含量較其他巖樣大,雖然不是太明顯,但也出現(xiàn)了特殊情況。

圖2 溶蝕量跟干密度和門檻壓力的關(guān)系Fig.2 The relationship of dissolution quantity to the dry density and threshold pressure

4 討論

喀斯特發(fā)育首先需要一定的物質(zhì)基礎(chǔ),其次則與環(huán)境,如地質(zhì)、氣候、水文、生態(tài)等有密切的關(guān)系(盧耀如,1986;袁道先等,1994)。碳酸鹽巖在喀斯特發(fā)育中所顯示的差異性主要取決于其化學(xué)成分CaO和 MgO的含量比,酸不溶物超過(guò) 20%才會(huì)對(duì)溶蝕量有明顯影響(聶躍平,1994)。大量的實(shí)驗(yàn)分析表明,白云巖的溶蝕主要受巖石的化學(xué)成分、巖石和礦物的結(jié)構(gòu)、不同礦物成分的配比關(guān)系、滲流條件等多種因素共同控制。某一地區(qū)的喀斯特地貌及喀斯特發(fā)育程度是多種因素綜合作用的結(jié)果(任美鍔,1982)。

施秉白云巖表面孔隙較多,多具有層理構(gòu)造,易在表面形成溶蝕膜和溶蝕孔隙,晶間溶孔分布密集均勻。屬于微孔隙、小孔隙多喉道溶孔型白云巖,同時(shí)粒間膠結(jié)較差,屬于中等風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化的較軟巖。白云巖巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,其風(fēng)化過(guò)程主要以物理崩解為主,物理崩解提供的巖石碎塊易于發(fā)生化學(xué)溶蝕和機(jī)械破壞,更有利于化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行,再加上白云巖中晶間孔隙均勻,在地下水的滲流和化學(xué)作用下有利于整體化學(xué)溶蝕作用的進(jìn)行。另外,白云巖的表面粗糙,與溶液的接觸面積大,使溶蝕更容易進(jìn)行,這也是MgO的影響較大的原因。

白云巖主要由菱形或不規(guī)則粒狀白云石(CaCO3·MgCO3)構(gòu)成,一個(gè) CaO、MgO 對(duì)應(yīng)一個(gè)CO2,其中MgO(MgCO3)含量越高,白云巖越純。許多專家和學(xué)者研究都發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r(CaCO3)的溶蝕能力比白云巖強(qiáng)(翁金桃,1984;何宇彬,1997;王尚彥,2009),也即是CaO的含量越高,碳酸鹽巖的溶蝕能力就應(yīng)該越強(qiáng)。本文中施秉白云巖與酸反應(yīng)時(shí),CaCO3和MgCO3是同時(shí)進(jìn)行的,雖然氧化鈣先反應(yīng)(因?yàn)殁}比鎂活性強(qiáng),鈣的金屬性強(qiáng)),但最終二者都會(huì)反應(yīng),實(shí)際溶蝕量是二者反應(yīng)之和。

在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)施秉白云巖溶蝕與其他地方的碳酸鹽巖類溶蝕實(shí)驗(yàn)雖有一定的相似性,但也存在差異性。這是因?yàn)槭┍自茙r的溶蝕特性是多種因素綜合作用的結(jié)果,不僅跟礦物成分有關(guān),還跟孔隙特征,外部條件等有關(guān)。在分析原因時(shí),我們必須把各個(gè)因素分離開(kāi)來(lái),從宏觀和微觀角度逐個(gè)作詳細(xì)的分析研究,分別得出結(jié)論,然后綜合起來(lái),才能對(duì)該地區(qū)的巖溶發(fā)育規(guī)律有更深人的認(rèn)識(shí)。

5 結(jié)論

(1)在眾多影響施秉喀斯特發(fā)育的因素中,礦物成分是最基本的內(nèi)因,水是最關(guān)鍵的外因,孔隙結(jié)構(gòu)起輔助作用,各種因素綜合作用。

(2)極細(xì)晶施秉白云巖的單位表面積溶蝕量一般大于細(xì)晶白云巖單位表面積溶蝕量,即白云巖巖樣晶粒越細(xì),單位表面積溶蝕量越大。在晶粒相同的情況下,白云巖的溶蝕量主要與CaO和MgO的含量成正比,且MgO的含量影響較CaO大。

(3)施秉白云巖溶蝕速率不僅受巖石礦物顆粒粒徑大小的控制,還受巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響,顆粒粒徑越大,孔隙度越高,連通性越好,越有利于水溶液進(jìn)入,溶蝕量也就越大。

(4)施秉白云巖的溶蝕特性是多種因素綜合作用的結(jié)果,必須把各個(gè)因素分離開(kāi)來(lái),從宏觀和微觀角度逐個(gè)作詳細(xì)的分析研究,然后綜合起來(lái),才能對(duì)巖溶發(fā)育規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)。

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