黑色頁巖風(fēng)化的地球化學(xué)行為及力學(xué)特性研究.pdf

1、巖石風(fēng)化是改變地球地表過程的一種主要方式，是控制元素地球化學(xué)循環(huán)的重要過程，也是影響巖石圈表層人類工程活動的方式之一。與花崗巖、玄武巖及碳酸鹽巖等巖石類型相比，黑色頁巖富含硫化礦物（黃鐵礦為主）和有機質(zhì)，在表生環(huán)境中極易被氧化而發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用，并且生成的酸性水和硫酸鹽礦物，對巖體造成溶蝕、膨脹等效應(yīng)，加速黑色頁巖的化學(xué)風(fēng)化進程，破壞巖體結(jié)構(gòu)，將造成一系列工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。因此，黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化的研究可提升巖石風(fēng)化領(lǐng)域的理論知識，

2、也對工程地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)評價及預(yù)測具有重大意義。
　　本論文以重慶城口地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組黑色頁巖為研究對象，選取位于山脊中部的A剖面、近山頂?shù)腂剖面和山谷的C剖面，圍繞黑色頁巖及風(fēng)化物的物理性質(zhì)、孔隙特征、顯微觀形態(tài)特征、元素及礦物成分等特征，對黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化過程的孔隙演化、微觀結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、礦物風(fēng)化序列、風(fēng)化趨勢及元素遷移、再分配、分異規(guī)律等問題進行系統(tǒng)研究，綜合闡述了黑色頁巖的風(fēng)化驅(qū)動機制和演化機理;并利用不同pH值的

3、流動態(tài)含氧型H2SO4酸性水，將黑色頁巖浸泡于酸性水中來模擬頁巖風(fēng)化過程的水巖化學(xué)作用，分析了水巖化學(xué)作用下黑色頁巖的化學(xué)-力學(xué)耦合特性，闡述了巖石風(fēng)化的力學(xué)特性。通過研究，取得了如下幾點主要成果和認識:
　　(1)根據(jù)地質(zhì)樣品分析結(jié)果表明重慶城口（城巴斷塊）黑色巖層（頁巖）形成于缺氧型的被動大陸邊緣，沉積時期的古氣候?qū)儆诟蔁嵝蜌夂?，在沉積過程中具有明顯的熱液活動參與，其沉積所處的位置位于淺海陸棚相-斜坡過渡帶。
　　(2)

4、基于黑色頁巖及風(fēng)化產(chǎn)物的物理化學(xué)性質(zhì)，黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化過程中，孔徑分布曲線的最大峰值向右移，孔徑直徑隨風(fēng)化推進而增大，而孔隙分形維數(shù)隨孔徑增大而增大，由單一孔隙結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)槎喾N孔隙結(jié)構(gòu);微觀結(jié)構(gòu)表明隨化學(xué)風(fēng)化推進，礦物顆粒間的膠結(jié)連接逐漸松散，大顆粒晶體演變?yōu)榉哿?，呈不?guī)則的多邊形形狀。
　　(3)黑色頁巖風(fēng)化系統(tǒng)中氧化風(fēng)化是基巖轉(zhuǎn)為半風(fēng)化層，再至風(fēng)化層的關(guān)鍵過程。黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化過程中，礦物風(fēng)化的化學(xué)反應(yīng)順序為:硫化礦物、有機

5、質(zhì)氧化作用;碳酸鹽礦物酸蝕溶解作用;硅酸鹽礦物（長石系列）溶解、蝕變及黏土化作用;黏土礦物的溶解及向更穩(wěn)定黏土礦物轉(zhuǎn)變的過程。根據(jù)元素和礦物的質(zhì)量遷移系數(shù)（τTi,J）和質(zhì)量遷移通量(MJ，flux)顯示黑色頁巖風(fēng)化過程中Ca、Mg和Na元素具有明顯的貧化現(xiàn)象，近地表處存在Al元素的富集現(xiàn)象，元素的活動性隨化學(xué)風(fēng)化程度增大而增加，其活動順序為:Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Si＞K＞Al;根據(jù)Na/K-CIA、K/Ca*-Al/Na、A-CN

6、-K和A-CNK-FM圖解顯示A剖面處于脫Ca、Mg過程的初級風(fēng)化階段，B剖面處于脫Ca、Mg、Na初期的初等—中等風(fēng)化階段，C剖面已發(fā)生脫Ca、Mg、Na過程，并伴隨脫Si作用的中等—強烈風(fēng)化階段，結(jié)合不同風(fēng)化指數(shù)，各剖面的化學(xué)風(fēng)化強弱程度依次為C＞B＞A。
　　(4)微量元素中，Mn、Sr、Ba、Pb、U、V、Cr、Co、Ni、Cu和Zn元素的活動性較強而易發(fā)生遷移、再分配和分異現(xiàn)象，Sc、Rb和Th元素的活動性較弱，而高場強

7、元素(HFSE)則發(fā)生共生遷移與再分配效應(yīng)。稀土元素的遷移活動性與pH值相關(guān)，其pH值越小則活動性越大，且其活動性隨化學(xué)風(fēng)化程度（CIA）增強而增加，稀土元素的在黑色頁巖風(fēng)化過程中的活動性順序為MREE＞HREE＞LREE，導(dǎo)致各風(fēng)化剖面稀土元素分異大小順序為C＞B＞A，使LREE相對HREE呈富集現(xiàn)象;同時各風(fēng)化剖面的δCeP＞1，呈鈰正異常，指示各剖面環(huán)境處于氧化狀態(tài)。
　　(5)黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化的本質(zhì)是水巖化學(xué)作用過程，其化

8、學(xué)風(fēng)化主要受到硫化礦物和有機質(zhì)的氧化作用、水巖化學(xué)/物理作用及微觀力學(xué)作用的控制。運用非平衡態(tài)熱力學(xué)和耗散結(jié)構(gòu)理論，對黑色頁巖風(fēng)化過程進行分析，認為黑色頁巖化學(xué)風(fēng)化過程是以熱傳導(dǎo)、物質(zhì)流、動量流（機械耗散）和化學(xué)反應(yīng)來推動的不可逆過程，自發(fā)經(jīng)歷化學(xué)振蕩周期，形成以耗散結(jié)構(gòu)模式為框架的漸穩(wěn)定風(fēng)化歷程的驅(qū)動風(fēng)化機制。
　　(6)利用不同pH值的非平衡流動態(tài)含氧型H2SO4酸性水浸泡黑色頁巖來模擬酸性水-頁巖化學(xué)作用過程。在酸性水化學(xué)作