碳酸盐岩腐岩的形成机制研究

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碳酸盐岩在我国分布广泛,地表出露面积约90.7×10~4km~2,地下分布更为广泛。碳酸盐岩腐岩在我国西南部极为发育,西南地区气候湿热,地质构造复杂,独特的气候和复杂的地质条件为碳酸盐岩腐岩的发育创造了良好的环境。碳酸盐岩腐岩是介于岩和土之间的特殊岩,它保留着原岩的构造和结构特征,但强度远不及原岩。由于腐岩自身的特性,其对基础建设以及地质灾害存在着一定的危害。随着西部大开发建设的推进和一带一路战略的实施,西南地区的各类工程建设活动日益剧增,工程建设中的工程地质问题愈发突出,碳酸盐岩腐岩的形成与发育机制也是西南地区工程建设中的一个重要问题。因此,对碳酸盐岩腐岩的形成机制和发育过程的研究具有重要的理论和实际意义。本文综合采用现场调查、取样、室内试验、数据分析、多尺度观察的方法,对研究区的自然地理概况、不同尺度下的地质构造、区域地层岩性和构造约束进行了准确的调查研究。在空间分布上,从上到下分别对碳酸盐岩上覆红粘土、碳酸盐岩腐岩和碳酸盐岩母岩进行室外调查和室内试验分析。具体地,对区内碳酸盐岩上覆红土进行了渗透性的分析,旨在分析红粘土对碳酸盐岩腐岩化的影响。以白云岩腐岩为例,分析了区内白云岩腐岩的结构以及腐岩化程度。采用滤纸法对区内灰岩和白云岩进行了基质吸力的测定,进一步对碳酸盐岩腐岩的机制进行了更深层次的研究。所取得的主要结论如下:(1)研究区属于低纬度亚热带-高原山地季风气候,且雨季分明,且年均气温常年稳定在17℃左右。独特的气候为区内碳酸盐岩腐岩化创造了良好的环境。(2)中元古代这一时期,区内主要为冒地槽背景下浅海-滨海环境,沉积的岩性主要有灰岩、白云岩及砂泥岩等。自元古代之后的古生代、中生代以及新生代,区内都沉积有灰岩与白云岩。这是发生腐岩化的基本条件。(3)研究区及其附近的区域性大断裂主要是小江断裂、普渡河断裂和红河断裂。研究区作为典型的构造地貌单元,这些断裂使研究区的地质构造受到严格的制约。(4)碳酸盐岩腐岩化的发育对红土是极为依赖的。研究区的红粘土的渗透性是极差的,红粘土的低渗透性也证实了试验的红粘土属于不透水介质,这促进了碳酸盐岩上覆的非饱和环境的发育。(5)研究区的白云岩腐岩化强烈,一般形成于潮湿且空气湿度波动显著的非饱和带中。腐岩颜色一般呈白色或黄白色,具有密度小、孔隙大和级配不良等特点。云南省研和县和通海县的白云岩腐岩的基质吸力都呈现出相同的变化趋势,即基质吸力随含水率的增大而减小,这种变化趋势促进了腐岩的再次发育。(6)研究区的灰岩和白云岩经鉴定分别为灰色亮晶生物碎屑灰岩和灰色亮晶砂屑白云岩,灰岩核心石呈现灰色或深灰色,其腐岩壳呈白色或灰白色,腐岩的白色并非由核心石的灰色“褪”过来的。(7)研究区灰岩与白云岩的基质吸力随着含水率的变化而变化,含水率越大,基质吸力越小。这种现象充分的解释了碳酸盐岩腐岩的形成机制主要是由于岩石孔隙中的空气相对湿度存在昼夜和季节变化的环境,从而导致基质吸力也随之反复变化,基质吸力长时间的反复变化使得岩石内部晶体间连接处发生了疲劳破坏,进而使得岩石解体成腐岩。
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