砒砂巖的結構組成研究

董晶亮，陳磊偉，鄭福焱，劉 鎏，肖桂元，涂發強，張小清，張海娜

（1. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013； 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071；3. 桂林理工大學廣西巖土力學重點實驗室，廣西 桂林 541004； 4. 江西建工第一建筑有限責任公司，江西 南昌 330013；5. 廣州南沙置業有限公司，廣東 廣州 511457）

我國水土流失和土地沙漠化異常嚴峻，每年的水土流失量約為5×109t， 占全世界每年水土流失20%左右， 其中以黃河流域黃土高原砒砂巖地區最為嚴重，每年的水土流失量約為1.6×109億t，占全國水土流失總量的32%左右[1-2]。我國的糧食供給保障、環境問題和耕地面積受到了水土流失和土地沙化的嚴重威脅。 大量流失的泥沙匯入黃河會引起河道阻塞，從而影響航運，甚至造成洪澇災害，危害人民群眾的生命財產安全。 近些年北京發生的沙塵暴天氣，也與內蒙古地區的砒砂巖息息相關。

1919—1959 年，由于黃土高原地區的水土流失導致每年約有16 億t 泥沙匯入黃河。在國家有關部門的精心治理下， 水土流失得到控制，2011 年以來每年因水土流失匯入黃河的泥沙量減少至1.7 億t[3]。砒砂巖區產生的泥沙，主要為容易淤積在黃河下游河道的粗泥沙，粒徑大于0.05 mm。錢寧[4]指出“因為粒徑大于0.05 mm 的粗砂是黃河下游淤積泥沙的主要組成部分；因此，只需要在黃河中游找到粗泥沙的集中產區并進行有效治理，就能夠有效緩解黃河中下游河道泥沙淤積的問題”。 通過調查發現，伊金霍洛旗、 準格爾旗、 內蒙古鄂爾多斯市東勝區、達拉特旗和陜西省神木、府谷6 縣的砒砂巖地區（約為1.7×104km2）是黃河中游粗泥沙的集中來源區。

砒砂巖分布區水土流失嚴重， 植物生長困難。砒砂巖地區每年注入黃河的粗泥沙占黃河粗泥沙總量的62%和黃河下游河道淤積量的25%，為黃土高原上最集中的碎屑基巖產沙區。 砒砂巖地區剛好位于黃河中游， 是中游水土流失最嚴重的地方，這里的土地侵蝕面積達到了3～4 萬t/（km2·a），為內蒙古土地沙化最嚴重的區域[5-13]。為了有效減少黃河河床泥沙淤積問題和土地沙化，就必須加大對內蒙古砒砂巖地區水土流失的整治。

想要有效治理砒砂巖地區的水土流失， 需弄清砒砂巖的形成機制， 而分析形成機制的關鍵在于明確砒砂巖的礦物組成和結構組成。 明晰砒砂巖的礦物組成與結構組成， 有助于了解砒砂巖的性質， 是揭示砒砂巖地區水土流失機制及研發出治理水土流失方法的基礎。 因砒砂巖地區的水土流失十分嚴重，是黃河粗泥沙的主要產區，帶來的危害性巨大， 所以對砒砂巖的研究一直是國內的熱點[14-23]。 國內眾多學者對砒砂巖的化學成分、礦物組成和顏色的多樣性展開了大量的研究。 葉浩等[24]發現砒砂巖的化學組成成分主要為二氧化硅、三氧化二鋁和氧化鈣。 其中二氧化硅的含量最高為64.73%， 其次是三氧化二鋁含量為10.06%，氧化鈣含量為7.40%。 砒砂巖的顏色具有多樣性，常見的砒砂巖顏色為灰白色， 紫紅色和灰白紫紅相間3 種顏色[25-27]。 宋土順等[28]指出“烴類流體”的漂白作用造成了砒砂巖顏色上的差異， 漂白作用的原理為酸性流體環境下硫酸鹽和天然氣的還原作用，且白色的砒砂巖就是紅色砒砂巖受到了該漂白作用所形成。 雖然砒砂巖的顏色不同，但主要礦物成分都為碳酸鈣、云母、伊利石、高嶺石、石英、鉀長石、蒙脫石和斜長石[29]。 盡管如此，國內對砒砂巖的化學組成、礦物組成及顏色差異性的研究還是遠遠不夠且不系統，并沒有給出砒砂巖的結構組成模型，也未對不同粒度的砒砂巖所含礦物進行定量分析[30]。 只有對砒砂巖的認識更深， 對砒砂巖的結構組成展開更詳細的研究，才能找到最佳的治理方法，并且從源頭上治理我國的水土流失問題。 主要針對白色砒砂巖和紅色砒砂巖兩種砒砂巖的礦物組成、粒度組成及結構組成展開研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

砒砂巖（紅色和白色塊體）取自中國內蒙古鄂爾多斯，原巖抗壓強度約為1.0 MPa，密度為1 600～1 800 kg/m3。

1.2 試驗方法

1） 砒砂巖的結構物質組成及特征，即粒度組成與礦物分析。 稱量紅色和白色砒砂巖各5 000 g，倒入料盆后加水至液面浸過砒砂巖并攪拌、靜置48 h、篩分、烘干（105 ℃，24 h），最后統計不同粒度砒砂巖的質量。 然后利用光學顯微鏡對不同粒度砒砂巖展開礦物組成分析， 同時采用德國Siemens 公司D500 型X 射線衍射光譜分析儀對磨細以后不同粒度的砒砂巖展開定量分析。

2） 砒砂巖的結構形式及特征，即砒砂巖結構組成分析。 將紅色和白色砒砂巖加工成為長、寬和高為2 cm×2 cm×1 cm 的長方體， 然后利用光學顯微鏡對其進行觀察分析。

2 結果與討論

2.1 砒砂巖的結構物質組成及特征

2.1.1 砒砂巖的粒度組成

從圖1 可以得出，白色砒砂巖中顆粒的粒度基本集中在0.15～1.25 mm， 占總量的79.02%， 其中0.3～0.6 mm 占比最大，高達43.96%；紅色砒砂巖的粒度組成基本集中在小于0.075 mm， 占總量的83.44%。紅色砒砂巖的粒徑要遠小于白色砒砂巖，其加權平均粒徑僅為白色砒砂巖的0.19 倍。 紅色砒砂巖的粘粒要遠多于白色砒砂巖。 這可能是紅色砒砂巖相對白色砒砂巖遇水不易發生潰散的原因之一。

圖1 砒砂巖的粒度分布范圍Fig.1 Granularity distribution range of Pisha sandstone

2.1.2 不同粒度砒砂巖的XRD 礦物組成定量分析

圖2 和圖3 是采用德國Bruker D8 Advance（40 kV，40 mA，步長0.01°，掃描時間0.5 s） X 射線衍射儀（XRD）對不同粒度的砒砂巖進行物相分析得出。

圖2 表明， 白色砒砂巖的主要礦物成分為石英、鉀長石、高嶺石和蒙脫石，還含有少量的氧化鐵以及碳酸鈣等。 粒度小于0.15 mm 的范圍內，白色砒砂巖的主要礦物成分是石英、 鈉長石、 鉀長石、 蒙脫石和高嶺石。 同時可以發現在粒度為0.075～0.15 mm 的范圍內，集中了大量的黑云母，其它粒度范圍只有少量的黑云母。 粒度在0.15～0.3 mm和大于0.3 mm 的范圍內， 白色砒砂巖的主要礦物成分都是石英、鉀長石、鈉長石和碳酸鈣4 種晶體。在光學顯微鏡的觀察下，發現支撐起砒砂巖整個骨架的是它的粗顆粒部分，主要為石英、鉀長石、鈉長石和碳酸鈣這4 種晶體。 白色砒砂巖中還存在蒙脫石、氧化鐵和高嶺石等礦物。 這3 種礦物都具有一定的膠結能力，能夠將砒砂巖中的其它晶體礦物膠結在一起形成砒砂巖巖體。

圖2 白色砒砂巖不同粒度的XRD 衍射圖譜Fig.2 XRD pattern of white Pisha sandstone in different granularity

圖3 可以得出，紅色砒砂巖所含的礦物與白色砒砂巖相似。 不同之處在于每個粒度區間中礦物的分布及含量有所差異，蒙脫石在紅色砒砂巖中的分布更加均勻，并且僅紅色砒砂巖含有綠泥石。 紅色和白色砒砂巖具有相似的結構。 紅色砒砂巖也含有石英、鉀長石、鈉長石和碳酸鈣等4 種晶體礦物。 紅色砒砂巖中具有膠結能力的礦物為蒙脫石、 氧化鐵、綠泥石和高嶺石。

圖3 紅色砒砂巖不同粒度的XRD 衍射圖譜Fig.3 XRD pattern of red Pisha sandstone in different granularity

基于不同粒度的砒砂巖物相分析結果，并結合TOPAS 4.2 對砒砂巖中各礦物成分的定量計算表明（圖4，圖5），僅紅色砒砂巖含有綠泥石，其余礦物種類白色砒砂巖與紅色砒砂巖相同，但在不同粒度區間內所含的礦物種類以及含量有較大的差異。 白色砒砂巖中石英的含量高達69.2%； 蒙脫石和高嶺石只分布在粒度小于0.15 mm 的范圍內，屬于細顆粒，且蒙脫石的含量隨著粒度的減小而增加；鉀長石和鈉長石在各粒度范圍都有分布，且分布較為均勻；黑云母集中分布在粒度小于0.3 mm 的范圍內；氧化鐵的含量最少僅為0.35%， 分布在粒度為0.15～0.3 mm 的范圍內；碳酸鈣分布在粒度為0.15～0.6 mm的范圍內。 紅色砒砂巖中各礦物的分布比白色砒砂巖均勻，除了綠泥石和碳酸鈣，其余礦物在各粒度范圍內均有分布。 與白色砒砂巖不同，紅色砒砂巖中礦物含量最高的為蒙脫石，約為40%，且在各粒度范圍內的分布量較均勻； 其次是石英和鉀長石，分別為29.97%和10.51%。 紅色和白色砒砂巖主要的礦物都為石英、蒙脫石和鉀長石，但礦物含量卻大不相同。 白色砒砂巖中石英和鉀長石的含量要高于紅色砒砂巖， 分別為紅色砒砂巖的2.31 倍和1.46 倍；而白色砒砂巖中的蒙脫石和黑云母的含量要遠低于紅色砒砂巖，分別為白色砒砂巖的0.23 倍和0.1 倍。綜合上述結論，可以明確砒砂巖中的蒙脫石和高嶺石等次生礦物是由砒砂巖中的原生礦物（長石）風化得到的，因而砒砂巖是一種風化嚴重的泥巖。

圖4 白色砒砂巖的礦物組成Fig.4 Mineral composition of white Pisha sandstone

圖5 紅色砒砂巖的礦物組成Fig.5 Mineral composition of red Pisha sandstone

表1 和表2 為白色砒砂巖和紅色砒砂巖按照風化帶中礦物的穩定性對所含礦物的分類。 其中碳酸鈣為不穩定礦物，鉀長石、鈉長石和黑云母為次穩定礦物，石英、蒙脫石、高嶺石和氧化鐵為穩定礦物。 由表1 可知，不穩定礦物只存在于粒徑為0.36～0.6 mm 和0.15～0.3 mm 的范圍內， 總體的含量極少，約占白色砒砂巖整體質量的2.34%。次穩定和不穩定礦物在各粒徑范圍都存在， 且分布較均勻，它們分別占白色砒砂巖整體質量的17.59%和80.07%。 由表2 可知，不穩定礦物只存在于粒徑大于0.15 mm 的范圍內，且含量極少，占紅色砒砂巖整體質量的1.37%。 紅色砒砂巖中次穩定礦物和穩定礦物分別占紅色砒砂巖整體質量的21.92%和76.71%，且它們在不同粒徑的分布十分均勻。由表1和表2 對比可知，白色砒砂巖和紅色砒砂巖的不穩定礦物、次穩定礦物和穩定礦物的含量相似。

表1 白色砒砂巖礦物組成Tab.1 White Pisha sandstone mineral composition%

表2 紅色砒砂巖礦物組成Tab.2 Red Pisha sandstone mineral composition%

2.1.3 不同粒度砒砂巖的光學顯微分析

圖6 表明，白色砒砂巖的不同粒度區間都分布著大量的白色透明晶體和紅褐色晶體，它們分別為石英和鉀長石。 可以得出，石英與鉀長石為白色砒砂巖的主要礦物組成，含量高達84%，構成砒砂巖的骨架結構。 當粒度為0.3～0.6 mm 時，白色透明晶體石英的含量最高，且部分石英外表裹有紅褐色物質（氧化鐵），它起到膠結石英和鉀長石等晶體的作用；在粒度為0.15～0.3 mm 時，能觀察到黑色的顆粒狀晶體鈉長石；當粒度為0.075～0.15 mm 時，可以觀察到黑色無規則形狀的晶體，其為黑云母；當粒度小于0.075 mm 時， 發現大量片狀白色晶體， 依據XRD 結果分析可知其為蒙脫石。通過光學顯微鏡觀察到石英與鉀長石的表面較均勻地分布著蒙脫石和黑云母， 對石英和鉀長石起到包裹和膠結的作用。 白色砒砂巖中以粒徑較大的晶體為主，晶體間膠結弱。

圖6 白色砒砂巖不同粒度的光學顯微圖片（100 倍）Fig.6 Optical micrograph of different granularity white Pisha sandstone

圖7 表明，紅色砒砂巖的礦物分布比白色砒砂巖均勻。 在粒徑大于0.15 mm 的紅色砒砂巖中，可以觀察到白色透明的石英，紅褐色的鉀長石，白色片狀的蒙脫石和乳白色的碳酸鈣，以及少量的黑云母；當粒度在0.075～0.15 mm，紅色砒砂巖中含有大量蒙脫石，黑云母以及綠色的片狀晶體綠泥石，這3種晶體在紅色砒砂巖中起到膠結物質的作用；當粒度小于0.075 mm 時， 在紅色砒砂巖中可以觀察到大量粒徑較小的蒙脫石、石英和鉀長石。 綜上可知，紅色砒砂巖在不同的粒度區間含有的礦物種類基本相同，但是含量的多少存在很大差異。 紅色砒砂巖中以粒徑較小的粘粒為主，膠結狀態強于白色砒砂巖。

圖7 紅色砒砂巖光學顯微圖片（100 倍）Fig.7 Optical micrograph of different granularity red Pisha sandstone

2.1.4 砒砂巖的SEM 分析

圖8 為白色砒砂巖與紅色砒砂巖的掃描電鏡圖像，從圖8（a）中可以看出白色砒砂巖的內部膠結程度很差，裂紋與空隙較多，結構松散，呈現顆粒狀分布；從圖8（b）中可以看出紅色砒砂巖的膠結程度要優于白色砒砂巖，結構更加密實，呈現褶皺狀。 白色砒砂巖以顆粒狀晶體石英和鉀長石為主，覆蓋在顆粒狀晶體表面的膠結物質為蒙脫石和黑云母，晶體間的膠結能力較差。 紅色砒砂巖中含有大量的片狀蒙脫石以及片狀的晶體綠泥石，它們為紅色砒砂巖的膠結物質。 紅色砒砂巖中的膠結物質蒙脫石含量較高，膠結能力強；因此掃描電鏡圖像中紅色砒砂巖結構更加密實。

圖8 砒砂巖掃描電鏡圖片Fig.8 SEM image of Pisha sandstone

2.2 砒砂巖的結構形式及特征

圖9 為砒砂巖在光學顯微鏡下的觀察結果。 從圖9（a）中能觀察到白色砒砂巖中含有大量的白色透明晶體石英和紅褐色晶體鉀長石。 石英與鉀長石構成了白色砒砂巖的骨架，其中還含有少量的黑色顆粒狀晶體鈉長石及乳白色晶體碳酸鈣，而均勻分布在它們之間起到膠結物質作用的為親水弱膠結粘土礦物蒙脫石和黑云母。 白色砒砂巖中不同晶體的辨別度很高，界限非常清晰，各晶體之間依靠親水弱膠結粘土礦物膠結在一起，同時砒砂巖體含有大量的孔隙結構，造成其結構強度低。 圖9（c）為塊狀白色砒砂巖表面的3D 光學顯微掃描圖， 因白色透明的顆粒狀晶體石英的含量最高，所以整體呈現白色。 還能觀察到少量紅褐色和灰黑色部分，分別為鉀長石以及鈉長石晶體。

圖9（b）為塊狀紅色砒砂巖的結構組成圖，可以觀察到大量的白色黏土礦物蒙脫石， 它把石英、鉀長石及黑云母等晶體顆粒膠結在一起。 紅色砒砂巖中紅褐色的鉀長石晶體與黑色的黑云母晶體含量要高于白色砒砂巖，且白色的石英晶體含量少于白色砒砂巖，紅色砒砂巖整體的顏色更加混濁不如白色砒砂巖亮白。 蒙脫石和氧化鐵為親水性弱膠結物質，紅色砒砂巖因蒙脫石含量較高，膠結能力強，使紅色砒砂巖基體更加密實，所以紅色砒砂巖的結構強度要高于白色砒砂巖。圖9（d）是對塊狀紅色砒砂巖表面的3D 光學顯微掃描圖， 觀察發現紅色砒砂巖中的顆粒狀晶體以白色石英和紅褐色的鉀長石為主，還含有少量黑色的鈉長石。 此外，紅色砒砂巖中能觀察到大量的白色黏土礦物蒙脫石，蒙脫石與氧化鐵等膠結物質把顆粒狀的晶體膠結成整體，外觀呈現紅色。 綜上可知，砒砂巖是由顆粒狀的骨架晶體石英、鉀長石和鈉長石通過親水弱膠結物質蒙脫石和氧化鐵等的膠結作用及晶體間的摩擦力和機械咬合力作用所形成的固體混合物，同時顆粒與顆粒之間由于膠結物的不完全填充導致砒砂巖基體存在大量的孔隙，其膠結方式是接觸式膠結。

圖9 砒砂巖的光學顯微分析Fig.9 Optical microscope images of Pisha sandstone

2.3 砒砂巖結構元及幾何模型

由前述分析知，砒砂巖實際上是顆粒狀骨架晶體（石英、鈉長石和鉀長石）通過蒙脫石和氧化鐵等親水弱膠結黏土物質的膠結作用及晶體間的摩擦力、機械咬合力作用所形成。 砒砂巖結構松散，含有較多的空隙，其礦物成分依據遇水特性的不同可分為三大類：膨脹元、約束元和支撐元。 膨脹元：遇水易發生膨脹的黏土礦物如蒙脫石和綠泥石等即為膨脹元；約束元：能對發生膨脹的黏土礦物起到約束作用的膠結物質，如氧化鐵等，砒砂巖遇水發生潰散的根本原因在于膠結物產生的膠結力不足以約束膨脹黏土礦物產生的膨脹力；支撐元：砒砂巖的主要晶體顆粒組成部分如石英、 鉀長石和碳酸鈣，也起到砒砂巖骨架的作用。 砒砂巖本質是一種親水弱膠結的顆粒支撐滲透式結構，其幾何結構具有三元特征，其幾何模型如圖10。

圖10 砒砂巖的三元結構幾何模型Fig.10 Geometric model of ternary structure for Pisha sandstone

3 結論

通過對砒砂巖礦物組成粒度分布、 微觀結構、礦物特性與組成、膨脹源及膠結物質、結構組成等進行全面的分析，得到如下結論。

1） 紅色和白色砒砂巖所含的礦物種類基本相同，均為石英、鉀長石、鈉長石、蒙脫石、黑云母、氧化鐵和碳酸鈣等，但它們在各個不同粒度范圍內的礦物類型及含量存在差別。

2） 白色砒砂巖中的顆粒狀晶體礦物含量遠高于紅色砒砂巖，石英和鉀長石的含量分別為紅色砒砂巖的2.31 倍和1.46 倍。 但是，白色砒砂巖中的膠結物質含量遠低于紅色砒砂巖，蒙脫石和黑云母的含量分別為紅色砒砂巖的0.23 倍和0.1 倍。 并且綠泥石僅存在于紅色砒砂巖中。 白色砒砂巖比紅色砒砂巖更加容易遇水發生潰散。

3） 砒砂巖依靠親水弱膠結黏土礦物膠結顆粒狀晶體而成，主要的膠結方式為接觸式膠結，為三元結構特征。 膠結礦物有膨脹黏性土礦物（蒙脫石、高嶺石和綠泥石等）、 非膨脹性黏性土礦物 （氧化鐵），這些膠結礦物不僅有膠結作用，還起到了填充作用，減少了砒砂巖基體的空隙，使其結構更加密實，強度增加。 砒砂巖的潰散機理是膠結礦物的膠結力小于膨脹黏土礦物產生的膨脹力，對膨脹黏土礦物達不到約束效果。