永勝縣龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)類型和成因淺析

夏偉　張洪銘　肖文剛

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局勘察設(shè)計(jì)研究院　云南省　昆明市　650041　2.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司　云南省　昆明市　650041）

永勝縣龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)類型和成因淺析

夏偉1張洪銘2肖文剛1

（1.中國(guó)水利水電第十四工程局勘察設(shè)計(jì)研究院云南省昆明市6500412.云南利魯環(huán)境建設(shè)有限公司云南省昆明市650041）

鈣質(zhì)膠結(jié)是龍開口電站水資源綜合利用一期工程中常見的區(qū)域性特殊結(jié)構(gòu)，其有著特殊的形成機(jī)理和分布規(guī)律。在明渠開挖過程中，通過工程地質(zhì)測(cè)繪勘察、地質(zhì)素描的綜合分析，并參閱相關(guān)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和專業(yè)文獻(xiàn)資料，對(duì)龍開口電站水資源綜合利用一期工程鈣質(zhì)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，初步分析鈣質(zhì)膠結(jié)的形成原理，得出鈣質(zhì)膠結(jié)是成土作用和成巖作用共同參與的結(jié)果。

鈣質(zhì)膠結(jié)；明渠開挖；成土與成巖作用

引言

工程區(qū)位于青藏高原與云貴高原接壤的斜坡過渡地帶，屬滇西縱谷山區(qū)及滇中紅層高原區(qū)地貌單元，以冰蝕、侵蝕、剝蝕地貌為主，海拔高程在1170～1330m之間，氣候類型屬南亞熱帶低緯度山地季風(fēng)氣候。光熱資源豐富，光照充足，年日照時(shí)數(shù)1900～2100h。多年平均氣溫20.4℃，最熱月6月平均氣溫25.5℃，最冷月1月平均氣溫12.6℃。渠線總體屬剝蝕、溶蝕中低山地貌，渠線地形普遍較陡，自然坡度20～40°，局部達(dá)60～70°，局部地形平緩開闊，自然坡度在20°以下，工程沿線地表大部分為第四系金沙江階地堆積礫石層及第四系殘坡積層、洪沖積砂卵礫石層覆蓋，工程具有特殊性，在渠道工程區(qū)域內(nèi)的礫石具有地表膠結(jié)且只分布在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地的獨(dú)特沉積特征，據(jù)工程明渠開挖揭露，在不同樁號(hào)、不同深度出現(xiàn)了次生、表生膠結(jié)體，主要以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。

1　鈣質(zhì)膠結(jié)的類型與分布

1.1鈣質(zhì)膠結(jié)體的成分與類型

膠結(jié)體的成分較復(fù)雜，主要為砂巖、玄武巖及灰?guī)r扁豆體為主。膠結(jié)體母巖較堅(jiān)硬且富鈣質(zhì)、鐵質(zhì)，而更老的地層則多為松散狀。膠結(jié)體中礫石直徑達(dá)3～10cm；有些地段礫石非常細(xì)，小于1cm，以細(xì)礫、粗砂為主，甚至中細(xì)砂也出現(xiàn)膠結(jié)現(xiàn)象。

鈣質(zhì)膠結(jié)體個(gè)體粒徑大小不一，最小的約1cm，最大的呈整塊發(fā)育，體積達(dá)0.5m3，但5～20cm左右的最為常見。綜合工程沿線鈣質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育程度，可將其分為兩類：①以姜狀和不規(guī)則的球狀為主，經(jīng)固結(jié)、硬化作用成形，呈暗褐色，表面可見細(xì)小氣孔，經(jīng)錘擊發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)膠結(jié)體質(zhì)地內(nèi)密外疏，固結(jié)程度內(nèi)好外差；②體積較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地均一，固結(jié)和結(jié)晶程度較差，且具有個(gè)體越大結(jié)晶程度越差的特點(diǎn)，橫斷面有較平整的礫狀斷口，顏色呈灰白色。

1.2鈣質(zhì)膠結(jié)體的分布

分布在沿金沙江Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地洪枯水位之間，區(qū)域性差異明顯。工程區(qū)內(nèi)膠結(jié)體的成層性、分選性較差，呈條帶狀、透鏡狀分布。沉積規(guī)模較小，厚薄不均且具多個(gè)沉積旋回。長(zhǎng)度上，有些開挖面長(zhǎng)幾百米，短的約十幾米。厚度上，厚的達(dá)5m以上，薄的僅30～40cm，甚至更薄。在渠道的開挖斷面上常見有礫石、砂二元結(jié)構(gòu)組成的多個(gè)沉積旋回。

總之，隨著渠道水力坡度的降低，開挖渠道底板高程逐漸降低，沿線鈣質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)、變厚；隨著開挖渠道越往末端越接近金沙江，階地逐漸向Ⅰ級(jí)階地過度，鈣質(zhì)膠結(jié)的體積逐漸變大，埋深逐漸變淺，整體呈地勢(shì)低處埋藏淺，地勢(shì)高處埋藏深的趨勢(shì)。

2　鈣質(zhì)膠結(jié)的成因初步分析

2.1鈣質(zhì)膠結(jié)的成分來(lái)源及地下水環(huán)境

鈣質(zhì)膠結(jié)中的鈣質(zhì)成分多來(lái)源于古金沙江水中的Ca2+，以及周圍碳酸巖鹽的補(bǔ)充參與，江水中的中鈣離子的濃度變化成為制約碳酸鈣能否沉積與鈣質(zhì)膠結(jié)大小的關(guān)鍵性因素。

金沙江上游沿岸中生代侏羅系砂頁(yè)巖、灰?guī)r富含鈣質(zhì)，為礫石膠結(jié)提供了豐富的鈣質(zhì)來(lái)源。但工程區(qū)膠結(jié)只分布在Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地，而高級(jí)階地多為松散礫石層，說明獨(dú)特的氣候是主要原因。

砂礫石的成巖作用發(fā)生于堆積以后，其堆積時(shí)期的古環(huán)境有著非常重要的作用，探查有關(guān)資料及前人研究成果，推測(cè)膠結(jié)體堆積年代距今約1萬(wàn)～4萬(wàn)年。總的古氣候背景呈現(xiàn)干旱特征；距今3.5萬(wàn)年左右古氣候相對(duì)暖濕，是金沙江高水位期，金沙江礫石在該時(shí)段大量堆積。全新世初，氣候較干冷，降水及氣溫都有所減小，從距今1萬(wàn)年左右的全新世開始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉(zhuǎn)暖，降水增加，金沙江發(fā)生古洪水，形成Ⅰ級(jí)階地河漫灘堆積。

末次冰期晚期全球氣候干冷，降水減少；但本區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，降水比間冰期少，但還是比高緯度多，只是水量小且運(yùn)行緩慢，巖土不斷溶解提供Ca2+和。此外，上游沿岸及沿岸出露的古生代中生代富含鈣質(zhì)的砂巖、泥巖、二疊系富含鐵錳質(zhì)的玄武巖及其風(fēng)化形成的土壤為地下水、地表水提供了豐富的鈣質(zhì)來(lái)源，在干冷氣候背景下，河流水位下切，Ⅰ級(jí)階地上相對(duì)暖濕階段堆積的礫巖層出露在水面以上。在當(dāng)時(shí)干冷氣候條件下，空氣干燥，溫度低，礫石層水分不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致碳酸鈣過飽和而沉積與砂礫石混合，隨著時(shí)間的推移，不斷蒸發(fā)、淋濾作用下，碳酸鈣沉積越來(lái)越多，與砂礫石膠結(jié)程度越來(lái)越緊密，形成了如今的明渠開挖出露的鈣質(zhì)膠結(jié)體。

2.2鈣質(zhì)膠結(jié)的形成機(jī)理

鈣質(zhì)膠結(jié)主要是碳酸鈣組成的膠結(jié)狀自生沉積物，工程區(qū)的鈣質(zhì)膠結(jié)主要是在低地的河流階地土壤中由蒸發(fā)或者淋濾作用而形成的，鈣質(zhì)膠結(jié)礫石的初始形態(tài)主要為球形狀或者近于球形狀，表面比較光滑，后來(lái)由于膠結(jié)作用，使許多球狀鈣質(zhì)結(jié)核連接在一起，而形成不規(guī)則的較大鈣質(zhì)膠結(jié)。

把水環(huán)境看做一個(gè)開放的溶液系統(tǒng)，把鈣質(zhì)膠結(jié)的形成過程看做一種結(jié)晶過程，鈣質(zhì)膠結(jié)持續(xù)形成的過程就是CaCO3不斷結(jié)晶富集沉積的過程，在水環(huán)境開放系統(tǒng)中，CaCO3的溶解與沉淀存在著平衡，反應(yīng)式如下：

從平衡方程可以看出，在水溶液為鈣離子所飽和的情況下，若要使CaCO3不斷結(jié)晶，即平衡向左移動(dòng)，需滿足下面2個(gè)條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的降低或水分的蒸發(fā)作用有利于沉淀的產(chǎn)生，類似地，土壤的高pH值也將促使平衡向左移動(dòng)，使CaCO3的過飽和濃度增大。

（2）若要使CaCO3持續(xù)沉淀，即膠結(jié)不斷長(zhǎng)大，還需含有Ca2+和離子的水不斷補(bǔ)充，即其它處的碳酸鈣不斷轉(zhuǎn)化為重碳酸鈣，且通過運(yùn)移在土層一定深度集中富集。

同理，從平衡方程可以看出，若要使CaCO3不斷溶解，即平衡右移動(dòng)，需滿足下面2個(gè)條件：

（1）平衡體系中，CO2分壓的升高（當(dāng)成巖物質(zhì)被覆蓋之后，由于厭氧細(xì)菌的作用，有機(jī)質(zhì)腐爛分解，CO2等氣體）或降水作用有利于沉淀的溶解。

（2）若要使CaCO3持續(xù)溶解，即膠結(jié)體溶解，還需降低Ca2+和離子濃度，即增加溶液的量。

3　結(jié)論

龍開口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)氣候從古至今很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)比較炎熱，全年溫差小，且蒸發(fā)量大于降雨量，導(dǎo)致水分大量蒸發(fā)，有利于CaCO3的結(jié)晶沉積，這是一種成巖作用，此時(shí)沉積物質(zhì)發(fā)生重新分配、組合，膠體礦物脫水陳化、壓縮膠結(jié)，最終固結(jié)為巖石。

龍開口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)氣候從距今1萬(wàn)年左右的全新世開始，特別是距今天7000年左右，隨著古氣候轉(zhuǎn)暖，降水增加，CaCO3逐漸溶解為Ca2+和離子，淋濾進(jìn)土層，在土層中運(yùn)移富集，這是一種成土過程，在這個(gè)過程中，伴隨著土壤淋溶作用和脫鈣作用的進(jìn)行，CaCO3逐漸溶解從而大量流出，從土壤表層向下遷移的鈣便在一定深度上又積聚起來(lái)。在長(zhǎng)時(shí)間的蒸發(fā)、淋濾作用下，形成了工程區(qū)不同樁號(hào)、不同深度的鈣質(zhì)膠結(jié)體。

綜上所述，龍開口電站水資源綜合利用一期工程區(qū)內(nèi)鈣質(zhì)膠結(jié)體的形成是成巖作用與成土作用共同參與的結(jié)果。

致謝：本文完成之際，首先感謝高工龐崇林對(duì)我的培養(yǎng)指導(dǎo)和支持，本文從選題、理論研究到寫作完成得到龐高工不斷的啟發(fā)和耐心的指導(dǎo)。龐高工寬厚的學(xué)識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度將使我受益終身，值此文完成之際，謹(jǐn)向龐高工致以誠(chéng)摯的敬意！

[1]曹亞娟.安徽淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的分布及成因研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，2009.

[2]劉良梧.砂姜黑土形成的歷史過程[M].淮北地區(qū)水土資源開發(fā)與治理研究.北京：科學(xué)出版社，1992：136～145.

[3]唐洪明，主編.礦物巖石學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007，12.

[4]施國(guó)軍，吳道詳，徐東生，王國(guó)強(qiáng).淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的結(jié)構(gòu)類型和成因分析[N].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，11，33（11）.

[5]（英）配蘭特（Pellant，C）著.臺(tái)灣貓頭鷹出版社譯.巖石與礦物[M].北京：中國(guó)友誼出版社公司，1999，8.

TV223.1

A

1673-0038（2015）28-0288-02

2015-6-1

夏偉（1986-），男，云南建水人，助理工程師，本科，從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)工作。

張洪銘（1982-），男，河南商丘人，工程師，碩士，從事環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究與工程設(shè)計(jì)工作。

肖文剛（1982-），男，云南景東人，助理工程師，大專，從事工程測(cè)繪與設(shè)計(jì)工作。