黑色頁巖風化的地球化學行為及力學特性研究.pdf

1、巖石風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，在表生環(huán)境中極易被氧化而發(fā)生化學風化作用，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，加速黑色頁巖的化學風化進程，破壞巖體結構，將造成一系列工程地質和環(huán)境地質問題。因此，黑色頁巖化學風化的研究可提升巖石風化領域的理論知識，

2、也對工程地質災害與環(huán)境地質評價及預測具有重大意義。
　　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、近山頂的B剖面和山谷的C剖面，圍繞黑色頁巖及風化物的物理性質、孔隙特征、顯微觀形態(tài)特征、元素及礦物成分等特征，對黑色頁巖化學風化過程的孔隙演化、微觀結構、風化程度、礦物風化序列、風化趨勢及元素遷移、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化驅動機制和演化機理;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化過程的水巖化學作用，分析了水巖化學作用下黑色頁巖的化學-力學耦合特性，闡述了巖石風化的力學特性。通過研究，取得了如下幾點主要成果和認識:
　　(1)根據地質樣品分析結果表明重慶城口（城巴斷塊）黑色巖層（頁巖）形成于缺氧型的被動大陸邊緣，沉積時期的古氣候屬于干熱型氣候，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、基于黑色頁巖及風化產物的物理化學性質，黑色頁巖化學風化過程中，孔徑分布曲線的最大峰值向右移，孔徑直徑隨風化推進而增大，而孔隙分形維數隨孔徑增大而增大，由單一孔隙結構逐漸演變?yōu)槎喾N孔隙結構;微觀結構表明隨化學風化推進，礦物顆粒間的膠結連接逐漸松散，大顆粒晶體演變?yōu)榉哿?，呈不?guī)則的多邊形形狀。
　　(3)黑色頁巖風化系統(tǒng)中氧化風化是基巖轉為半風化層，再至風化層的關鍵過程。黑色頁巖化學風化過程中，礦物風化的化學反應順序為:硫化礦物、有機

5、質氧化作用;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)定黏土礦物轉變的過程。根據元素和礦物的質量遷移系數（τTi,J）和質量遷移通量(MJ，flux)顯示黑色頁巖風化過程中Ca、Mg和Na元素具有明顯的貧化現象，近地表處存在Al元素的富集現象，元素的活動性隨化學風化程度增大而增加，其活動順序為:Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Si＞K＞Al;根據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過程的初級風化階段，B剖面處于脫Ca、Mg、Na初期的初等—中等風化階段，C剖面已發(fā)生脫Ca、Mg、Na過程，并伴隨脫Si作用的中等—強烈風化階段，結合不同風化指數，各剖面的化學風化強弱程度依次為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。稀土元素的遷移活動性與pH值相關，其pH值越小則活動性越大，且其活動性隨化學風化程度（CIA）增強而增加，稀土元素的在黑色頁巖風化過程中的活動性順序為MREE＞HREE＞LREE，導致各風化剖面稀土元素分異大小順序為C＞B＞A，使LREE相對HREE呈富集現象;同時各風化剖面的δCeP＞1，呈鈰正異常，指示各剖面環(huán)境處于氧化狀態(tài)。
　　(5)黑色頁巖化學風化的本質是水巖化學作用過程，其化

8、學風化主要受到硫化礦物和有機質的氧化作用、水巖化學/物理作用及微觀力學作用的控制。運用非平衡態(tài)熱力學和耗散結構理論，對黑色頁巖風化過程進行分析，認為黑色頁巖化學風化過程是以熱傳導、物質流、動量流（機械耗散）和化學反應來推動的不可逆過程，自發(fā)經歷化學振蕩周期，形成以耗散結構模式為框架的漸穩(wěn)定風化歷程的驅動風化機制。
　　(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-頁巖化學作用過程。在酸性水化學作