南陽盆地膨脹土成因研究

秦 天，溫靜宇，安夢琪

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450046)

膨脹土是由強親水礦物組成的高塑性粘土，主要成分為蒙脫石與伊利石，具有吸水膨脹，失水收縮的特性，是一種“問題多的特殊土”[1-3]。南陽盆地是形成在秦嶺-大別山褶皺造山帶之上的新生代斷陷盆地，地質作用復雜，巖石類型多樣。盆地自西向東，從內鄉、鎮平界直到方城，發育了大量不同類型的膨脹土，其膨脹性由弱到中強，大約占盆地面積65%[4-5]。

前人針對南陽盆地膨脹土開展了一系列研究。劉特洪[6]，通過數理統計原理和工程地質類比法，得出膨脹土各種物理、力學參數的特征范圍；孟令超等[7]，利用木質素磺酸鈣改良南陽弱膨脹土的最佳摻量問題，研究在干濕循環下摻量對弱膨脹土的脹縮特性的影響，分析得出木質素磺酸鈣可以保持干濕循環中弱膨脹土的穩定，同時可以抑制弱膨脹土裂隙的發育；劉娉慧等[8]，以南陽段膨脹土為研究對象，通過密度計法對不同分散劑下的膨脹土進行顆粒分析試驗，研究表明采用六偏磷酸鈉的效果較好，氨水次之，氫氧化鈉效果最差，對認識和了解膨脹土的工程性質具有一定意義；陽云華[9]，利用不同特性的南陽膨脹土原狀樣與重塑樣，經過在不同含水率下抗剪強度的試驗分析，得出土的膨脹性越強，內聚力越大，內摩擦角越低，含水率越大，力學強度就越小，在反復脹縮作用下對膨脹土的強度有重要作用；張家俊等[10]，通過將樣品烘干及圖像方法對南陽膨脹土在反復干濕循環作用下的裂隙演化規律進行室內試驗，分析得出裂隙發育與土體完成性破壞之間的關系：裂隙越發育，土體范性變形量越大；王曉琪等[11]，通過模擬不同一維覆土壓力下南陽膨脹土的土體水分特征，得出考慮覆土壓力效應的土水特征曲線(SWCC)，分析了吸濕路徑下的含水率、吸力、孔隙比和飽和度之間的相互關系。

現場勘察發現，盆地內出現了大規模的房屋裂縫以及路基裂縫等膨脹土問題(如圖1所示)，對工程建設和人民生命財產安全造成嚴重危害。諸多國內外學者對南陽盆地膨脹土的研究主要在上述(物理特性、裂隙性、滲透性等)幾個方面，但是對該區域膨脹土的成因研究較少，沒有進行深入分析。關于南陽盆地膨脹土的成因研究對重大工程施工以及地質災害的防治都具有重要意義。因此，本文以膨脹土為研究對象，通過對鉆孔巖芯描述、自由膨脹率試驗、X射線衍射分析以及孢粉分析結果，探討南陽膨脹土成因及與古氣候關系，拓展膨脹土研究的范疇。

圖1 取樣地理位置及取樣點周邊膨脹土造成的危害

1 區域地質概況

1.1 地形地貌

南陽盆地位于河南省西南部和湖北省西北部(如圖2所示)，處于我國“第二臺階”與“第三臺階”的過渡帶上，整體呈橢圓形，面積約為26569km2[15]。南陽盆地北靠伏牛山，東扶桐柏山，西依秦嶺，南臨漢江，三面環山，一面靠江，整體呈西北高東南低的特征。區域最高海拔2212.5m，最低海拔72m，相對高差2140.5m。南陽盆地地貌類型多樣，分別為高山、中山、低山、丘陵、崗地、平原、河谷的Ⅱ級階地，其中分布較多膨脹土的低山、丘陵、平原、Ⅱ級階地為盆地的主要地貌[16-18]。區域邊界北部以中高山為主，西部由中高山、低山丘陵構成，南部為崗地和平原，東部為中山、低山丘陵，地勢由西北向南緩慢傾斜[19]，呈階梯狀逐漸向南過渡，逐漸降級。盆地內河流密布，主要有唐河、白河、丹江等，縱貫中部，向南泄入漢水。研究區社旗縣位于南陽盆地東北部，區域東北部為低山丘陵區，西南部為壟崗、平原區域，地勢由東北向西南傾斜，最高海拔711m，最低海拔103m，相對高差608m。

圖2 南陽盆地區域構造圖

1.2 地層巖性

南陽盆地是白堊紀晚期以來持續發育的斷陷盆地[20]，充填了一套連續的陸相碎屑沉積地層。沉積蓋層自下而上依次為白堊系、古近系、新近系和第四系地層。

1.3 地質構造

南陽盆地是由華北板塊與揚子板塊碰撞形成在秦嶺褶皺帶之上的山間斷陷盆地[21-23]。盆地內具有典型“五凹五凸”的構造格局[24]。區域整體可劃分為社旗、師崗、新野、唐河及雙溝5個凸起構造單元和泌陽、南陽、鄧州、襄陽及棗陽5個凹陷構造單元。南陽盆地屬于秦嶺地域，該區域斷裂發育，區域內5條主要斷裂分布于南陽盆地西北部、中部、東北部，分別是山陽-內鄉斷裂、新野斷裂、南陽-方城斷裂、朱陽關-夏館斷裂和商縣-丹鳳斷裂。

1.4 構造演化

晚白堊世時期，區域構造活動劇烈，盆地周邊山體不斷上升隆起，導致區域下陷，逐漸形成盆地初貌[25-26]。至末期，在燕山運動的影響下，盆地進入了穩定沉降階段，周邊山地隆起，中間區域下陷成盆地，盆地內逐漸形成大大小小的湖泊雛形。古近紀前期，區域斷層活動劇烈，盆地進入快速沉降狀態，湖盆沉積范圍變廣，湖水加深，以河湖相沉積為主[27-28]；南陽盆地中部與西部形成了棕紅色、灰白色，灰綠色粘土。古近紀中期，凹陷區域開始不均勻緩慢上升，氣候逐漸干熱，湖水緩慢變淺。直到第四紀早更新世時期，太平洋板塊向歐亞板塊強烈俯沖[29]，盆地凹陷發生區域性差異隆升剝蝕[30]，湖盆急劇減少，結束了大面積河湖相沉積，部分地貌逐漸形成壟崗和丘陵；該時期氣候寒冷干燥，盆地內化學程度微弱，在水流搬運作用下形成了洪積物，基本不發育膨脹土[31]。第四紀中更新世和晚更新世時期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖結束，構造作用相對較弱，大部分斷層活動逐漸停止，盆地普遍發生緩慢沉降，整體進入拗陷充填階段[32-33]，沖洪積、洪積沉積范圍擴大至整個盆地。到了全新世時期，盆地相對穩定，主要沿河道一帶發育，形成了沖積平原[34]，地形地貌與現在相似。

2 取樣與研究方法

2.1 取樣

本文在南陽市社旗縣泥河趙村布置D01鉆孔，鉆孔深度為17m，對該區域膨脹土樣品采集，取得樣品10組。采集完成后進行密封、編號與稱重，為后續做自由膨脹率試驗、礦物分析(XRD)試驗與孢粉提取試驗提供準備。取得巖芯樣品分為8層，取樣深度為1.2～17m，平均每隔2m取樣，經過仔細觀察，繪制鉆孔柱狀圖，如圖3所示。

圖3 泥河趙村D01鉆孔地層柱狀圖

2.2 自由膨脹率試驗

試驗步驟及方法依據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[35]進行。首先，將漏斗置于漏斗支架上，其出口應在土壤量杯中間，并保持10mm距離；隨后，將10組樣品分別選取300～500g，并在105～110℃烘干和碾碎，分別經過0.5mm土壤篩后，用取土匙取適量試樣倒入漏斗中。待量土杯裝滿試樣并開始溢出時，停止向漏斗倒土并移開漏斗，刮去杯口多余土，稱量土杯中試樣質量；其次，向50ml的量筒內注入20～30ml蒸餾水和5ml濃度為5%的純氯化鈉溶液，將備好的試樣緩慢倒入量筒內；最后，用攪拌器上至靜液面下至筒底攪拌溶液10次，經蒸餾水沖洗攪拌器和量筒內壁上殘留的膨脹土，直至溶液表面平至50ml刻度線。待懸液澄清后，每隔2h測讀1次土面高度，經過6h內的2次讀數誤差不超過0.2ml，此時試樣可視為膨脹穩定，記錄下膨脹穩定數值并計算出膨脹率。按照式(1)分別計算出試樣的自由膨脹率。

(1)

式中，δef—自由膨脹率，%；Vwe—試樣在水中膨脹穩定后的體積，ml；V0—試樣的初始體積，ml。

2.3 礦物分析

為深入了解研究區膨脹土的粘土礦物含量，對10組土樣進行X射線物相分析。首先，將10組膨脹土樣品研磨為粉末，經過加入10%的過氧化氫(H2O2)和乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的系統處理，去除有機質和碳酸鹽，使之能在蒸餾水中形成懸濁液，直到有抗絮凝作用發生。根據Stokes法則提取粘土粒級的成分(<2μm)將小于2μmde顆粒吸出，取上層粘土溶液離心30min，并去除水分，采用刮片的方法制作成定向薄片。粘土礦物樣品的測試使用理學D/max-2500PC衍射儀，Cukα輻射，電壓40kV，電流100mA，最后自然風干制成自然片，乙二醇飽和7.0～9.0h制成乙二醇飽和片，然后進行XRD測試，將測試后的飽和片經過馬弗爐500℃高溫加熱2.5h制成高溫片，再次進行XRD測試。

2.4 孢粉試驗

本研究采用常規的孢粉分析方法[36]，即膨脹土樣品在實驗室里經過酸、堿等化學處理，換水清洗到中性后，用比重為2.1以上的重液在離心機上進行離心浮選，提取孢粉鑒定樣品，再經冰乙酸水稀釋、集中，純凈水清洗至中性后制到試管，然后制活動玻片在生物顯微鏡下進行觀察、鑒定、統計。最后，使用Tilia軟件對孢粉百分比進行計算和繪圖。

3 結果

3.1 自由膨脹率試驗結果

研究區膨脹土自由膨脹率的試驗結果見表1，并繪制自由膨脹率與深度的變化曲線(如圖4所示)和不同膨脹潛勢膨脹土隨深度變化分布散點(如圖5所示)。

表1 自由膨脹率試驗結果

圖4 研究區膨脹土自由膨脹率隨土層深度變化規律

圖5 不同膨脹潛勢膨脹土隨土層深度變化分布散點圖

根據GB 50112—2013《膨脹土地區建筑技術規范》[37-38]的分類標準，膨脹土的膨脹潛勢可分為3類，自由膨脹率在40～65之間屬于弱膨脹土，在65～90之間屬于中等膨脹土，大于90屬于強膨脹土。

由試驗結果(如圖4—5所示)可知，研究區膨脹土大部分以中膨脹潛勢為主，平均膨脹率為80.2%，局部有少量的弱膨脹土和強膨脹土。膨脹土試樣在不同深度的自由膨脹率差異較大，總體呈非線性變化。自由膨脹率曲線可分為3個階段：①穩定階段：膨脹土試樣自由膨脹率在深度1～3m處曲線接近水平，膨脹率緩慢減少增大，逐漸趨于穩定，其膨脹潛勢屬于中膨脹土。②急劇增大減小階段：膨脹土試樣自由膨脹率在深度4～15m處變化較為強烈，整體呈“W”形急劇增大減小。膨脹性以中膨脹為主，但在8.5m處達到強膨脹潛勢，膨脹率為91%，在10.5m處膨脹率迅速下降為60%，出現一個低極值點，這可能與當時的氣候轉換相關或處在河流邊，發育有較少的弱膨脹土有關。③快速膨脹階段：在15～17m處，膨脹率從76%迅速增大到119%，處在一個最高值點，可能與當時構造條件下的沉積環境有關。由于本試驗鉆孔較少，并不能對比分析該區域土層的膨脹率大小，是本次試驗的一個缺陷。

3.2 礦物特征

研究區膨脹土礦物分析結果見表2。結果表明，研究區粘土礦物組合類型為伊利石-伊/蒙混層-綠泥石，未檢測到高嶺石與蒙脫石。其中粘土礦物以伊/蒙混層為主，含量一般在8%～30%之間，平均含量為18.2%；伊利石含量一般在12%～22%之間，平均含量為16.2%；綠泥石含量相對占比較低，含量一般在0～21%之間，平均含量為12.2%。研究區碎屑礦物主要為石英，其次為斜長石、鉀長石、方解石與褐鐵礦，碎屑礦物屬于粗粒部分的主要組成物質，對其膨脹土性質影響不大，可以不計考慮。

表2 礦物成分分析表

由礦物分析結果，做出粘土礦物含量隨土層深度的變化趨勢圖(如圖6所示)，其反映研究區主要粘土礦物含量縱向變化特征。隨著土層深度的增加，3組粘土礦物含量在縱向變化上呈非線性關系。伊利石含量隨著土層深度變化可分為3個階段，①穩定階段：在土層深度1～6m處，伊利石含量相差不大，較平穩，其平均含量在14.8%；②逐漸上升階段：在土層深度6～13m處，伊利石含量呈逐漸增大趨勢；③緩慢下降階段：伊利石含量在13～17m處后逐漸衰減。伊/蒙混層含量隨土層深度變化可分為兩個階段，①急劇增大減小階段：在土層深度1～8.5m處，伊/蒙混層含量呈急劇增大減小狀態，整體變化幅度較大，最小含量為8%，最大含量達到30%；②穩定階段：在土層深度8.5m處后含量逐漸穩定。綠泥石含量在土層深度1～4m處略微減少，隨之在6m處含量從17%迅速減小到8%，之后便急劇增加并緩慢上升，13m處后綠泥石消失。

圖6 粘土礦物含量隨土層深度變化規律

研究區粘土礦物主要以伊/蒙混層為主，其次為伊利石和綠泥石。粘土礦物含量上升說明土層深度土壤風化程度較高，粘化作用較強，因而具有較高的粘土礦物含量，粘土礦物含量減小可能與當時的地質環境和氣候條件有關。伊/蒙混層礦物形態介于伊利石蒙脫石之間，是由蒙脫石向伊利石轉化的中間產物，其形成在化學程度中等的地表環境，是在弱堿、氣候環境條件下風化形成的物質[39]。伊利石是由蒙脫石和高嶺石在一定的地質環境下轉換而來，期間經過母巖物理風化，并在淋濾作用不強的弱堿環境下形成的產物[40]。綠泥石比伊利石更容易發生水解反應，它是由硅、鎂、鐵、鋁等陽離子的硅酸鹽或變質巖在堿性、淋濾作用不強條件下形成的礦物；在13m處綠泥石消失可能與當時的氣候環境有關，不適宜綠泥石的產生。根據主要粘土礦物可知當時南陽盆地的成土環境為堿性還原環境，而成土母質主要來自第四系沖洪積、洪積物，堿性環境不適宜高嶺石的形成，而堿性環境有利于蒙脫石形成，但成土母質不適宜蒙脫石的形成。

3.3 孢粉分析結果

本次研究共統計陸生植物花粉917粒，平均每個樣品92粒，孢粉總濃度平均每個樣品為3粒/g，共發現并鑒定了54個科屬的植物花粉。其中包括20個科屬的木本植物花粉，27個科屬的草本植物花粉，5個科屬的蕨類孢子，2個科屬的藻類。

根據鏡下孢粉鑒定統計分析結果，按照植物氣候類型代表性特征選取孢粉總濃度、孢粉總數、木本植物、草本植物、蕨類孢子、松屬、樺屬、鵝耳櫪屬、落葉櫟屬、山毛櫸屬、榆屬、禾本科、藜科、蒿屬、紫苑屬、十字花科、豆科、香蒲、莎草科、中華卷柏、鐵線蕨屬22個主要數量指標，運用孢粉專業作圖軟件Tilia作出孢粉百分比含量圖式。根據聚類分析Coniss所得結果，將本鉆孔17m以上沉積劃分為2個孢粉組合帶，自下而上各孢粉組合帶特征分析如下(如圖7所示)：

圖7 孢粉百分比圖

(1)孢粉帶I(17～8.5m)：

本帶5個樣品(D01-6-D01-10)，全部達到孢粉統計量(≥50粒)，孢粉總濃度為4粒/g，孢粉組合中草本植物花粉(55%～70.1%，平均63.76%)占絕對優勢，其次是木本植物花粉(19%～35.4%，平均26.86%)，蕨類孢子(2.14%～11.11%，平均5.6%)含量較低。草本植物花粉中以蒿屬(38.38%)居多，還有少量的藜科(8.94%)、禾本科(8.68%)、十字花科(1.87%)和紫菀屬(1.42%)等；木本植物花粉中松屬(18.66%)稍多，還可見落葉櫟屬(3.72%)、鵝耳櫪屬和樺屬等；蕨類孢子中有中華卷柏(2.99%)、鐵線蕨屬(1.21%)和鱗蓋蕨屬(1.04%)等。由孢粉組合帶特征分析，該階段植被類型為疏林草原，氣候溫和偏干。

(2)孢粉帶II(6～1m)：

本帶5個樣品(D01-1-D01-5)，3個樣品未達到孢粉統計量，孢粉總濃度為1粒/g，隨著草本植物花粉(67.2%～85.7%，平均76.74%)含量的上升，木本植物花粉(11.4%～31.2%，平均18.02%)減少，蕨類孢子進展0-5.9%，平均2.08%。草本植物花粉中以蒿屬(44.3%)和藜科(20.76%)為主，還可見少量的禾本科(5.56%)、豆科(0.94%)、莎草科和香蒲等；木本植物花粉中主要有松屬(8.76%)、榆屬(2.62%)、鵝耳櫪屬(1.68%)、山毛櫸屬(1.58%)、落葉櫟屬(1.42%)和樺屬(1.02%)等；蕨類孢子中僅見零星的中華卷柏和鱗蓋蕨等。該階段孢粉濃度降低，草本植物耐寒成分篙屬和藜科比例上升，并且含量增高，因此，根據孢粉組合帶特征分析當時的植被類型為針闊混交林-草原，氣候溫涼干燥。

4 討論

4.1 南陽盆地膨脹土成因分析

南陽盆地在隆起和凹陷區域均有膨脹土的分布，但成因類型有差異。南陽盆地膨脹土主要在新近系與第四紀更新世形成，這個時期的南陽盆地在燕山運動構造活動下處于上升和剝蝕的環境中，構造斷裂顯著，物源豐富，形成了氧化-還原的沉積環境，地表廣泛分布著沖洪積、沖積、洪積和河湖相沉積類型的膨脹土，地質構造運動是形成盆地膨脹土的主要因素之一。研究區社旗縣位于南陽盆地東北地帶，處在盆地邊緣。根據地層信息可知，該區域發育了大量粉質粘土、粘土、砂質粘土和粗砂等，其顏色一般為棕黃色、棕紅色、褐色；粘土中夾雜著直徑約為1～6cm的鈣質結核，并沒有出現鐵錳質結核，表現出沉積膨脹土屬于第四紀時代產物。由于受鉆孔深度和試驗數據偏少，本次僅對分布在地表或淺部且對工程危害較大的第四紀中、上更新統地層進行分析。根據地層沉積環境，以及前述的土層自由膨脹率結果、礦物成分及孢粉特征等，研究區第四紀中更新統膨脹土主要以中膨脹性為主，局部為強膨脹，由沖洪積作用形成；而上更新統膨脹土主要為中膨脹性，由沖積、湖積作用形成，見表3。

表3 南陽盆地膨脹土的成因類型

4.2 粘土礦物成因與古氣候關系

研究區膨脹土顏色變化明顯，棕黃、灰黃、棕色、褐色、褐黃、灰黃、棕黃、棕紅、棕黃、灰黃，剖面垂直變化顯著；粘土礦物在剖面垂向方向產生的差異主要受區域氣候環境影響，研究區粘土礦物以含有較多的伊/蒙混層、伊利石和綠泥石為特征來展開分析。由孢粉帶來看，兩帶屬于從溫和偏干到溫涼干燥的氣候轉換過程，而伊/蒙混層的產生主要是受控氣候變化的影響，從剖面中富含大量不同含量的伊/蒙混層可以印證這一點；伊/蒙混層在6m處礦物含量最大，可能是剖面沉積物中伊利石、綠泥石的含量相對減少所致。而剖面中伊利石并沒有向蒙脫石、高嶺石轉化，說明該階段淋濾作用較弱，氣候環境適合伊利石的保存，由孢粉帶證明了這一點。綠泥石的產生表明當時干旱的氣候環境，與孢粉帶Ⅱ結果一致，但在孢粉帶I處綠泥石消失，主要氣候環境溫和偏干，不適宜綠泥石的形成。

南陽盆地膨脹土遭受了不同程度的后期風化改造。但從鉆孔剖面上看富含大量的鈣質結核也可為研究提供信息。鈣質結核形成于干旱半干旱構造環境，其富含大量鹽酸鹽礦物，同時也反映出風化環境由弱酸性向弱堿性，干旱、半干旱轉變的氣候條件。

綜上可知，南陽盆地粘土礦物種類及含量變化受控的影響因素不同，從整體礦物含量與孢粉記錄結果來看，礦物含量不均勻，并出現極大小值，除了受控氣候環境外，還受到其它粘土礦物含量及碎屑物含量變化的影響，使粘土礦物含量發生變化。因此，研究南陽盆地膨脹土成因、形成時代、古氣候意義，對認識和了解地質時期，尤其是第四紀盆地構造演化特征與氣候變化是十分有意義的。

5 結論

(1)南陽盆地膨脹土主要分布于盆地邊緣山麓丘陵、山前平原與盆地內壟崗、河谷的Ⅱ級階地。

(2)研究區膨脹土成因類型主要有沖積、沖洪積、河湖相沉積，每種成因類型均有不同特點，其膨脹潛勢主要以中膨脹潛勢為主，平均80.2%，局部為強膨脹性；隨土層深度的增加，自由膨脹率呈非線性變化。

(3)南陽盆地膨脹土堆積時期，古氣候出現了溫和偏干、溫涼干燥的氣候轉換，產生的粘土礦物組成為：伊/蒙混層為主體礦物，其次為伊利石和綠泥石；粘土礦物含量隨土層深度的增加呈非線性關系，無明顯變化規律，表明粘土礦物含量對氣候環境敏感，易受到其它粘土礦物和碎屑物含量變化的影響，且粘土礦物與氣候之間可以相互指示。

(4)由于膨脹土造成一系列危害(房屋裂縫、路基裂縫、淺層滑坡等)，研究該區域膨脹土成因有助于對膨脹土更深刻地認識，對膨脹土危害進行有效預測與防治，減少危害發生。