北京沙河—八仙莊地面沉降區(qū)粘土礦物分析

田 芳，羅 勇，楊 艷，姜 媛，周 毅

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.中科院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

0 引言

弱透水粘性土層是北京地面沉降的主要壓縮層。如以地面沉降監(jiān)測站F3站中各分層標(biāo)2008－2010年的壓縮變形量占3年總沉降量的百分比為例，F(xiàn)3-7監(jiān)測層位64.5～82.3m的巖性主要為粘土和粉粘，比值為20%，F(xiàn)3-5監(jiān)測層位102～117m，基本上是厚層的粉質(zhì)粘土，比值為29.9%，而F3-8監(jiān)測層位48.5～64.5m以細(xì)砂和粗砂為主，比值僅為0.8%。因此，粘性土層的變形特征應(yīng)作為北京地面沉降基礎(chǔ)研究中的一個(gè)重要組成部分。壓縮層的粘粒含量和礦物成分是土層形變的微觀信息，分析研究這些微觀信息的作用特點(diǎn)，有助于定性或定量了解地面沉降的范圍、速率和幅度[1]。粘性土壓縮層的礦物成分以次生的粘土礦物為主。目前，粘土礦物分析應(yīng)用廣泛，主要包括古環(huán)境古氣候研究[2～4]、石油地質(zhì)研究[5～6]和污染環(huán)境修復(fù)研究[7～8]等，但在地面沉降領(lǐng)域中的研究并不多見。有研究認(rèn)為粘土礦物含量、組合和土體微結(jié)構(gòu)類型是在相同外界條件下引起地面沉降差異的主要因素。本文從沙河—八仙莊地面沉降區(qū)內(nèi)的四個(gè)鉆孔取粉質(zhì)粘土樣共計(jì)20件，進(jìn)行了X射線衍射實(shí)驗(yàn)，從粘土礦物成分和含量入手探討了其對地面沉降的影響。

1 粘土礦物對地面沉降的影響研究

室內(nèi)試驗(yàn)和原位分層壓密測量表明，在較低的有效應(yīng)力增長條件下，粘土層的壓密在地面沉降中起主要作用[9]。主要原因在于粘性土層的顆粒組成中以細(xì)粒為主，孔隙率較高，容易被壓縮。試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一級壓力和初始含水率相近的條件下，隨著粘粒含量增大，壓縮性顯著增大。因而，粘粒含量的多寡是粘性土層固結(jié)壓縮性的主要影響因素之一。粘土礦物是土中粘粒的主要礦物成分，顆粒極細(xì)，一般粒徑小于2μm，盡管在土中的相對含量不大，但是對土的工程性質(zhì)有極大的影響[10]。

粘土礦物對地面沉降研究的意義，在于其層狀晶格結(jié)構(gòu)不同而表現(xiàn)出不同的物理力學(xué)性質(zhì)（吸水性、釋水性、可塑性、壓縮性和滲透性等）。粘土主要類型有伊利石、高嶺石、蒙脫石和綠泥石等。高嶺石的水穩(wěn)性好，可塑性低，壓縮性低，親水性差。蒙脫石具有高塑性、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性。伊利石的性質(zhì)介于高嶺石和蒙脫石之間，屬于較不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，可塑性較低，遇水膨脹和脫水收縮的能力低于蒙脫石。伊/蒙混層礦物也是一種常見的粘土礦物，是伊利石和蒙脫石兩個(gè)端源礦物之間的過渡礦物，也具有較強(qiáng)的親水性。

有關(guān)“粘土礦物與地面沉降”的文獻(xiàn)主要涉及以下內(nèi)容的研究。①粘土礦物類型、含量及分布特征。蒙脫石、伊利石和高嶺石含量上的差異會導(dǎo)致釋水后土層的壓縮性有所不同。如淮南新集地區(qū)以伊利石為主的粘性土的壓縮性明顯高于以石英+高嶺石為主的粘性土[11]，衡水市沉降區(qū)漏斗中心黏性土樣品中伊利石和綠泥石等黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的土樣壓縮系數(shù)也較大，而石英和長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的土樣其壓縮系數(shù)較低[12]。薛傳東等（2001）研究了昆明盆區(qū)第四系粘性土中粘土礦物的礦物學(xué)、微結(jié)構(gòu)等特征，認(rèn)為粘土礦物含量、組合和土體微結(jié)構(gòu)類型是在相同外界條件下引起地面沉降差異的主要因素[13]。②蒙脫石的脫水作用對地面沉降的影響。Liu等（2001）通過對臺灣云林地區(qū)蒙脫石脫水的模擬計(jì)算，認(rèn)為蒙脫石脫水所造成的土體體積的減少量約占主固結(jié)量的50%[14]。楊獻(xiàn)忠等（2003，2005，2006）較為系統(tǒng)的研究了對蒙脫石脫水作用對地面沉降的影響，用蒙脫石層間水化狀態(tài)修正了土壤孔隙率的計(jì)算方程，以此建立蒙脫石層間脫水作用所產(chǎn)生的次要地面沉降量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并對無錫石塘灣地面沉降區(qū)進(jìn)行了模擬計(jì)算。他們假設(shè)蒙脫石殘余層間水全部釋出，預(yù)測無錫石塘灣地區(qū)可能有117.39cm的地面沉降空間，結(jié)果對下一步地面沉降災(zāi)害的治理、防治具有一定的警示作用[15～17]。

從上可以看出，獲得粘性土中粘土礦物的類型和含量是進(jìn)行粘土礦物對地面沉降影響研究的基礎(chǔ)。因此，本次工作從包含北京市累積沉降量最大點(diǎn)的沙河—八仙莊地面沉降區(qū)內(nèi)取粘性土樣做X射線衍射測試，獲取該沉降區(qū)內(nèi)100m以淺地層內(nèi)粘性土的粘土礦物成分及含量。

2 環(huán)境地質(zhì)背景及采樣

測試樣品來自于昌平沙河—八仙莊地面沉降區(qū)1#、2#、3#和4# 4個(gè)鉆孔（圖1），共20個(gè)樣品，取樣深度為10～100m。從第四紀(jì)地層分區(qū)來看，1#孔和2#孔都位于溫榆河沖洪積扇，其中前者位于馬池口次區(qū)，后者位于小湯山次區(qū)。3#和4#孔都位于潮白河沖洪積扇的懷柔次區(qū)，靠近潮白河沖洪積扇和溫榆河沖洪積扇的交界部位。整體來看，這4個(gè)孔所在地區(qū)第四紀(jì)地層發(fā)育齊全，第四系厚度大于100m。謝振華等曾經(jīng)在北京平原區(qū)15眼鉆孔0～15m深度內(nèi)取樣做過粘土礦物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所有樣品的粘土礦物類型均為伊利石/蒙脫石混層礦物+伊利石+高嶺石+綠泥石的組合，即北京市平原區(qū)整體沉積環(huán)境相同，同屬于一個(gè)沉積系統(tǒng)[18]。

樣品采集所在的沙河—八仙莊地面沉降區(qū)（圖2）形成時(shí)期大約在上世紀(jì)70年代末到80年代初。到1999年底，該沉降區(qū)最大累計(jì)沉降量達(dá)到688mm，2012年則達(dá)到1414mm，是平原區(qū)累計(jì)沉降量最大點(diǎn)。近幾年，該沉降區(qū)向西部擴(kuò)展明顯，尤其是海淀山后蘇家坨地區(qū)2011年和2012年的年沉降速率都超過了100mm/a。盡管沙河—八仙莊沉降區(qū)形成時(shí)間相對較晚，但是沉降速率大、沉降范圍擴(kuò)展明顯。在此沉降區(qū)內(nèi)采集粘性土樣做粘土礦物分析，將有助于從微觀層面上分析區(qū)內(nèi)土體變形特征。

圖1 取樣點(diǎn)在北京市第四系地層分區(qū)內(nèi)的位置

圖2 取樣點(diǎn)所在地區(qū)的累計(jì)地面沉降量（1955～2012）分布

3 結(jié)果分析

各孔樣品測試結(jié)果及礦物相對含量見表1,粘土礦物總量及相對含量隨深度變化見圖3～6。

綜合這4個(gè)孔的測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：所有樣品，盡管取樣地點(diǎn)和取樣深度不同，但是粘土礦物組合形式均為伊利石/蒙脫石混層礦物（I/S）+伊利石（I）+綠泥石（C）+高嶺石（K），以伊蒙混層礦物占絕對主導(dǎo)，同一類型的粘土礦物相對含量的變化范圍相差不大。這與前人在北京平原區(qū)開展的粘土礦物測試獲得的結(jié)論是一致的[18]。伊蒙混層礦物和伊利石都具有很強(qiáng)的親水性，能夠形成的結(jié)合水膜愈厚，尤其在飽和可塑的狀態(tài)下，則土的壓縮量越大，固結(jié)較慢。高嶺石礦物本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與水的作用較弱，由其組成的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程性質(zhì)較好。因此，從所采集樣品粘土礦物的類型和含量來看，沙河—八仙莊地面沉降區(qū)內(nèi)100m以淺深度范圍內(nèi)的粉質(zhì)粘土有利于土的壓縮。

4 結(jié)論

圖3 1#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖4 2#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖5 3#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

圖6 4#孔粘土礦物總量及相對含量隨深度的變化

表1 樣品測試結(jié)果及礦物相對含量表

北京沙河—八仙莊地面沉降區(qū)10～100m深度內(nèi)共采集了20個(gè)粉質(zhì)粘土樣進(jìn)行了X衍射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明它們的粘土礦物組合形式均為伊/蒙混層礦物（I/S）+伊利石（I）+綠泥石（C）+高嶺石（K），并以伊蒙混層礦物占絕對主導(dǎo)。這樣的粘土礦物組成是有利于地面沉降形成和發(fā)展的。本文只從粘土礦物含量和成分的角度分析了其對地面沉降的影響，下一步還需結(jié)合地面沉降監(jiān)測站內(nèi)分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)研究粘性土的固結(jié)壓縮特征。

[1]桂和榮,鄒 海,陳兆炎等.地面沉降的微觀信息研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1996,(5):27～29.

[2]徐耀明,洪漢烈,何雅娟.西昆侖山前陸盆地粘土礦物特征及其地質(zhì)意義[J].沉積學(xué)報(bào),2010,28(4):659～667.

[3]魯春霞.粘土礦物在古環(huán)境研究中的指示作用[J].中國沙漠,1997,17(4):456～460.

[4]孫慶峰,Christophe Colin,陳發(fā)虎,等.氣候環(huán)境變化研究中影響粘土礦物形成及其豐度因素的討論[J].巖石礦物學(xué)雜志,2011,30(2):291～300.

[5]趙杏媛,何東博.粘土礦物分析及其在石油地質(zhì)應(yīng)用中的幾個(gè)問題[J].新疆石油地質(zhì),2008,29(6):756～757.

[6]徐博會,丁述理.伊/蒙混層粘土礦物研究現(xiàn)狀與展望[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,26(4):56～60.

[7]王曉蓉,吳順年,李萬山等.有機(jī)粘土礦物對污染環(huán)境修復(fù)的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué),1997,16(1):1～14.

[8]楊秀敏,李立欣,張迎春.粘土礦物作為環(huán)境修復(fù)材料的研究進(jìn)展[J].金屬礦山,2010,(7):153～155.

[9]張倬元,王士天,王蘭生等.工程地質(zhì)分析原理[M].(第三版).北京,地質(zhì)出版社,2009:249～258.

[10]殷宗澤等.土工原理[M].北京,中國水利水電出版社,2007:3～10.

[11]宋曉梅,王厚柱.新集礦區(qū)松散層工程地質(zhì)特征及地面沉降預(yù)測[J].煤田地質(zhì)與勘探,1999,(27):43～47.

[12]苗晉杰,陳 剛,潘建永等.華北平原典型黏性土體固結(jié)特性的試驗(yàn)研究[J].地質(zhì)科技情報(bào),2009,28(5):109～112.

[13]薛傳東,談樹成,李 峰等.昆明盆區(qū)第四系粘性土中的粘土礦物與地面沉降.巖石礦物學(xué)雜志[J],2001,20(4):437～440.

[14]Liu C W,Lin W S,Shang C,etal.The effect of clay dehydration on land subsidence in theYun-Lin coastal area,Taiwan[J].Environmental Geology,2001,40(4/5):518～527.

[15]楊獻(xiàn)忠,陳敬中,葉念軍.論蒙脫石的脫水作用及其對地面沉降的影響[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2003,24(2):89～95.

[16]楊獻(xiàn)忠,楊祝良,陳敬中等.蒙脫石脫水作用與地面沉降關(guān)系的研究展望[J].巖石礦物學(xué)雜志,2005,24(6):659～665.

[17]楊獻(xiàn)忠,楊祝良,陳敬中等.蒙脫石層間水化狀態(tài)對土壤孔隙率計(jì)算的修正及其在地面沉降中的應(yīng)用[J].礦物學(xué)報(bào),2006,,26(1):15～21.

[18]謝振華,劉 凱,李志萍等.基于沉積物物質(zhì)來源的地下水化學(xué)特征分析:以北京市平原區(qū)為例[J].地學(xué)前緣(中國地質(zhì)大學(xué)(北京);北京大學(xué)),2010,17(6):81～87.