風(fēng)化作用對(duì)彩色丘陵泥巖顏色變化的影響

王申寧， 劉 潔， 梁收運(yùn)

(蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000)

彩色丘陵是發(fā)育在紅層之上的丘陵?duì)铍s色巖石地貌,是近二十年才出現(xiàn)的地貌學(xué)名詞,因其色彩繽紛而成為重要的旅游景觀資源,并不斷被開發(fā)為旅游景區(qū)。彩色丘陵是地質(zhì)演化過(guò)程中內(nèi)外動(dòng)力綜合作用的結(jié)果,其顏色是沉積物形成時(shí)的沉積環(huán)境及當(dāng)時(shí)環(huán)境下的氧化—還原程度的真實(shí)反映[1-3]。顏色作為沉積巖最直觀的標(biāo)志,廣泛運(yùn)用于鑒別巖石、劃分對(duì)比地層、揭示古氣候、恢復(fù)古環(huán)境、尋找礦產(chǎn)等方面。自20世紀(jì)60年代以來(lái),色度學(xué)方法對(duì)沉積物顏色的定量化分析逐漸得到應(yīng)用,其中CIE1976L*a*b*色度空間是最常用的表色系統(tǒng),使用亮度(L)、紅度(a)、黃度(b)三個(gè)指標(biāo)描述顏色[4]。對(duì)于沉積巖顏色的研究主要集中于巖石中所含染色物質(zhì)——色素,如赤鐵礦、粘土礦物、有機(jī)物、Mn等含量會(huì)使沉積物顏色發(fā)生變化[5-7]。沉積物的顏色是色素色和結(jié)構(gòu)色共同影響的結(jié)果[8]，一些生物的顏色源于其體內(nèi)的蛋白石、文石結(jié)構(gòu)[9-10],有研究發(fā)現(xiàn)泥巖的顏色值與灰度信息維數(shù)和顆粒分布分形維數(shù)呈一定的負(fù)相關(guān)[11]。前人對(duì)巖石顏色的研究主要關(guān)注色素色,而對(duì)結(jié)構(gòu)色的研究較少。

中國(guó)西北地區(qū)白堊系地層中發(fā)育彩色丘陵地貌,因氣候干旱、缺少植被覆蓋而長(zhǎng)期暴露于地表，遭受風(fēng)化侵蝕[12-13]。巖石的風(fēng)化作用會(huì)改變其微觀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致巖石物理力學(xué)性質(zhì)劣化,從而影響其工程性能[14]。目前巖石風(fēng)化程度的劃分多采用工程性質(zhì)定性評(píng)價(jià)方法,從巖石結(jié)構(gòu)、顏色、礦物成分、巖石破碎程度、掘進(jìn)難易程度等方面綜合分析來(lái)確定。因此,開展巖石色度測(cè)試與微觀結(jié)構(gòu)研究有助于進(jìn)一步了解巖石顏色與風(fēng)化作用的關(guān)系。本文從蘭州豬馱山形成彩色丘陵的白堊系地層中,采集不同顏色泥巖的表層風(fēng)化與內(nèi)部新鮮樣品,結(jié)合X熒光光譜(XRF)、掃描電子顯微鏡(SEM)及色度測(cè)試,研究風(fēng)化前后泥巖色度的變化規(guī)律,探討風(fēng)化泥巖與新鮮泥巖顏色差異原因,為彩色丘陵地貌旅游資源開發(fā)和古氣候、古環(huán)境變化研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

豬馱山位于青藏高原東北緣的蘭州盆地[15](圖1)。該盆地是中生代中祁連隆起帶東段發(fā)育的斷拗山間盆地,基底主要是由下古生界及以前的變質(zhì)巖和加里東期巖漿巖組成,其上繼承了由侏羅紀(jì)盆地發(fā)展而成的早白堊世斷陷盆地[16]。白堊系下統(tǒng)河口群發(fā)育紫紅色夾灰綠、藍(lán)灰色的雜色陸相碎屑巖,底部以礫巖或砂巖與下伏侏羅系享堂組及更老地層不整合接觸,從下向上粒度由粗到細(xì),其上被古近系橘紅色砂泥巖不整合覆蓋[16-17]。豬馱山處的河口群地層為一套雜色泥巖互層,形成了大面積的波狀起伏的彩色丘陵地貌。

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[15]修改)

2 樣品與分析方法

2.1 樣品

樣品采自豬馱山彩色丘陵發(fā)育的白堊系下統(tǒng)河口群一典型剖面(圖2),地理坐標(biāo)：103°24′58″E,36°14′49″N。彩色地層交互分布,變化明顯,包含紅—灰綠—黃和紅—灰—紅兩個(gè)顏色循環(huán)。地層產(chǎn)狀為55°∠55°,巖性主要為泥質(zhì)巖。選擇7個(gè)取樣點(diǎn),采集20 cm深處的結(jié)構(gòu)致密巖石樣品作為新鮮樣品,對(duì)應(yīng)采取表面結(jié)構(gòu)疏松或破碎樣品為風(fēng)化樣品,共14個(gè)樣品。

2.2 分析方法

樣品顏色先采用卡片比對(duì)法確定,然后采用三恩馳NH310色差儀測(cè)量,顏色系統(tǒng)選擇CIE1976L*a*b*,測(cè)試光源為D65,測(cè)量口徑選擇8 mm,經(jīng)白板校正后進(jìn)行測(cè)試。采用兩種方法對(duì)樣品進(jìn)行處理：①原狀樣品，即不破壞泥巖結(jié)構(gòu)的情況下,選取平直表面進(jìn)行色度測(cè)試；②粉末狀樣品，即將樣品研磨為粉末狀后放于白色參照版上,壓平、壓實(shí)后測(cè)試。

元素成分分析采用荷蘭PANalyticalB.V公司生產(chǎn)的MagiX(PW2403)X-射線熒光光譜儀,元素測(cè)量范圍從Be-U,濃度范圍為0.1×10-6～100%,測(cè)量精度為0.1%～0.3%,X光管材料為銠(Rh),采用陶瓷絕緣,窗口由75 μm超薄防滲漏的鈹(Be)制成。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的樣品預(yù)處理后,稱取4 g左右粉末樣,再利用壓樣機(jī)與固體硼酸壓制成硼酸外殼的測(cè)試樣,確定表面光滑、平整、無(wú)裂痕后,置入光譜儀進(jìn)行測(cè)試。

圖2 豬馱山采樣點(diǎn)地質(zhì)地貌情況

微觀結(jié)構(gòu)分析采用Apeo S型掃描電鏡,獲取不同放大倍數(shù)下的微觀圖像。觀察前對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,在不破壞結(jié)構(gòu)的情況下,選取表面較為平整和代表性樣品,噴金60 s,利用導(dǎo)電膠將樣品固定在底座上,增加樣品導(dǎo)電性,提高成像效果。經(jīng)過(guò)對(duì)比,選取放大倍數(shù)×6 000,實(shí)際平面圖像面積為3 410 μm2的照片,采用PCAS軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行分析[18-19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 色度參數(shù)

3.1.1風(fēng)化泥巖與新鮮泥巖色度參數(shù)的差異

對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)土色貼觀察樣品,發(fā)現(xiàn)風(fēng)化樣品的色相均小于新鮮樣品,而明度/色度則大于新鮮樣品(表1)。對(duì)于原狀樣,風(fēng)化樣品的色度參數(shù)一般大于新鮮樣品,L值變化范圍為8.015～12.964,a值為0.375～3.565,b值為1.086～5.024(表2)。

沉積物的顏色是色素色和結(jié)構(gòu)色共同影響的結(jié)果。為了探討結(jié)構(gòu)對(duì)泥巖顏色的影響,將樣品研磨為粉末,使其結(jié)構(gòu)完全破壞,僅考慮色素色的影響,比較保留結(jié)構(gòu)的原狀樣與破壞結(jié)構(gòu)的粉末樣色度參數(shù)的差異。對(duì)于粉末樣,風(fēng)化樣品的色度參數(shù)多小于新鮮樣品,L值變化范圍為0.17～1.622,a值變化范圍為0.032～1.116,b值變化范圍為0.094～3.4(表3)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)色卡對(duì)比結(jié)果

原狀樣與粉末樣相比,風(fēng)化樣品和新鮮樣品色度參數(shù)的變化趨勢(shì)不同,且原狀樣的變化較為明顯,粉末樣的變化較微弱。原狀樣保持了泥巖完整的結(jié)構(gòu),可反應(yīng)風(fēng)化泥巖和新鮮泥巖顏色的變化,色度參數(shù)L、a、b值在風(fēng)化后有不同程度的增長(zhǎng),顏色向著更亮、更紅、更黃的方向變化。

表2 原狀樣色度參數(shù)

表3 粉末樣色度參數(shù)

對(duì)于僅考慮色素色條件的粉末樣,風(fēng)化樣品與新鮮樣品的色度參數(shù)變化較小,成分對(duì)泥巖顏色變化的影響較小,反映了樣品經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化作用可能較弱。而同時(shí)考慮成分、結(jié)構(gòu)條件的原狀樣色度參數(shù)變化較大,說(shuō)明結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)風(fēng)化樣品與新鮮樣品的顏色差異造成影響。

此外,無(wú)論是新鮮樣品,還是風(fēng)化樣品,粉末樣的色度參數(shù)L值明顯大于原狀樣,a、b值差異較小且無(wú)明顯規(guī)律,說(shuō)明泥巖顏色的變化會(huì)受到結(jié)構(gòu)的影響。粉末樣的結(jié)構(gòu)完全被破壞,排列松散,光線照射更加充分,亮度增強(qiáng)。

3.1.2彩色泥巖色度參數(shù)的差異

以粉末狀新鮮泥巖來(lái)分析,取樣點(diǎn)1、2、6、7處紅色泥巖L值為48.782～53.046,取樣點(diǎn)3、4處綠色泥巖L值為60.538～65.348,取樣點(diǎn)5處黃色泥巖L值為68.148,L值從小到大依次為紅色、綠色、黃色；紅色泥巖a值為7.4～10.558,綠色泥巖a值為-0.162～0.03,黃色泥巖a值為2.872,a值從小到大依次為綠色、黃色、紅色；紅色泥巖b值為8.328～16.452,綠色泥巖b值為6.462～7.92,黃色泥巖為17.794,b值從小到大依次為綠色、紅色、黃色。可見不同顏色的泥巖色度參數(shù)有一定規(guī)律。

3.2 化學(xué)成分

所有樣品主要由Si、Al、Fe組成(表4),共占泥巖化學(xué)成分的65%～75%,不同顏色的泥巖間成分變化較大,風(fēng)化樣品與新鮮樣品對(duì)應(yīng)的元素含量變化較小。其中致色成分Fe含量變化約0.8%,Mn變化量?jī)H0～0.05%,Si含量變化約3%,Al、Ca含量變化約1%,其余元素含量變化在0.6%以內(nèi)。風(fēng)化樣品與新鮮樣品相比,除Na的含量大于新鮮樣品外,其它主要元素含量變化復(fù)雜,無(wú)明顯區(qū)別。總體看來(lái),泥巖樣品經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化作用較弱。

表4 樣品主要元素含量(%)

3.3 微觀結(jié)構(gòu)

3.3.1微觀結(jié)構(gòu)的定性表述

選擇取樣點(diǎn)6觀察風(fēng)化樣品與新鮮樣品微觀結(jié)構(gòu)的變化。新鮮樣品結(jié)構(gòu)致密,表面起伏較小,僅有較少細(xì)微孔隙，樣品表面在垂直、平行于層面時(shí)有兩種不同的微結(jié)構(gòu)形式。表面垂直層面時(shí)(圖3-a),單元體以薄層片狀和扁平狀顆粒聚集體為主,表現(xiàn)為紊流結(jié)構(gòu),多為邊—面、面—面及膠結(jié)接觸；表面粗糙,顆粒起伏較大,總體看有一定的片狀顆粒取向性。表面平行層面時(shí)(圖3-b),單元體多以薄層平直片狀顆粒堆疊,有時(shí)會(huì)發(fā)生卷曲,以面—面、膠結(jié)接觸為主；顆粒起伏較均勻,相對(duì)平緩,定向性較垂直層面時(shí)不明顯。風(fēng)化樣品結(jié)構(gòu)松散,表面起伏較大,出現(xiàn)許多大小不一的孔隙,與新鮮樣品的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的差異(圖3-c)。單元體以片狀、扁平狀顆粒聚集體為主,表現(xiàn)為粒狀堆疊結(jié)構(gòu),接觸方式以點(diǎn)—面、邊—面接觸為主；顆粒大小混雜,排列不一,沒有明顯的定向性。

通過(guò)SEM照片的觀察發(fā)現(xiàn)，樣品微觀結(jié)構(gòu)在風(fēng)化前后有明顯區(qū)別,且在化學(xué)風(fēng)化作用較弱的情況下,物理風(fēng)化造成的結(jié)構(gòu)變化是影響泥巖顏色變化的主要因素。

3.3.2微觀結(jié)構(gòu)的定量分析

為了研究風(fēng)化樣品與新鮮樣品微觀結(jié)構(gòu)的變化,在前述基礎(chǔ)上從孔隙大小、形狀、排列等方面選取平均面積、形狀系數(shù)和形態(tài)分形維數(shù)、概率熵和分布分形維數(shù)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)[20-21],進(jìn)行樣品孔隙微觀結(jié)構(gòu)的定量分析。

(1) 孔隙平均面積。新鮮樣品孔隙平均面積為0.45～0.81 μm2,風(fēng)化樣品為0.74～3.1 μm2，除取樣點(diǎn)3外,風(fēng)化樣品的平均孔隙面積均大于新鮮樣品(圖4-a)。通過(guò)照片對(duì)比發(fā)現(xiàn),相對(duì)于其他樣品,取樣點(diǎn)3處的風(fēng)化樣微結(jié)構(gòu)單元體明顯較小,新鮮樣表面較完整,少有細(xì)小顆粒,其差異可能是由于取樣點(diǎn)3處的風(fēng)化程度弱于其他樣品造成的。隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行,泥巖的表面發(fā)生變化,原先較平整光滑的表面破碎分解,開始出現(xiàn)許多孔隙與顆粒,且孔隙有增大趨勢(shì)。

圖3 新鮮與風(fēng)化泥巖的SEM照片

(2) 孔隙平均形狀系數(shù)。新鮮樣品的孔隙平均形狀系數(shù)為0.346 8～0.415 7,風(fēng)化樣品為0.385 1～0.438 5(圖4-b)。在風(fēng)化作用的影響下,孔隙的形狀有變圓滑的趨勢(shì),平均形狀系數(shù)越大,孔隙形狀越圓滑,巖體越松散。

(3) 孔隙形態(tài)分形維數(shù)。新鮮樣品的孔隙形態(tài)分形維數(shù)為1.129 7～1.198 8,風(fēng)化樣品為1.203 3～1.247 7(圖4-c)。隨著結(jié)構(gòu)的松散,孔隙復(fù)雜程度逐漸升高,這與平均形狀系數(shù)變化規(guī)律一致。

圖4 新鮮樣品與風(fēng)化樣品的孔隙微觀結(jié)構(gòu)變化

(4) 孔隙概率熵。新鮮樣品的孔隙概率熵為0.957 4～0.987 3,風(fēng)化樣品為0.978 3～0.992 9,取樣點(diǎn)1、3、4處變化較大(圖4-d)。對(duì)比照片發(fā)現(xiàn)，平行層面觀察時(shí)孔隙概率熵變化較小,垂直或與層面斜交時(shí)觀察則變化較大，概率熵越大,孔隙排列越混亂。

(5) 孔隙分布分形維數(shù)。新鮮樣品的孔隙分布分形維數(shù)為1.723 0～3.230 8,風(fēng)化樣品為1.354 2～2.085 5(圖4-e)。在風(fēng)化作用的影響下,孔隙排列混亂且較疏松。

3.3.3色度參數(shù)與孔隙微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

對(duì)此泥巖色度與孔隙微結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(表5),色度參數(shù)中亮度L與平均形狀系數(shù)的相關(guān)性相對(duì)較好,平均孔隙面積與色度參數(shù)的相關(guān)性較差,平均形狀系數(shù)、形態(tài)分形維數(shù)、概率熵及分布分形維數(shù)與色度參數(shù)有一定相關(guān)性,反映泥巖顏色變化可能會(huì)受到形狀、排列狀態(tài)變化的影響。

表5 色度參數(shù)與孔隙微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)表

4 討論

風(fēng)化作用使巖石發(fā)生機(jī)械破碎和化學(xué)分解,對(duì)泥巖的成分、結(jié)構(gòu)均發(fā)生影響。彩色丘陵多處于干旱氣候區(qū),化學(xué)風(fēng)化作用普遍較弱,物理風(fēng)化對(duì)巖石的作用更顯著。新鮮巖體在上覆巖層的重力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下,單元體按照一定方向排列成有序的微結(jié)構(gòu)[22]。降雨等流水侵蝕使粘土礦物吸收水分,顆粒間的結(jié)合水膜增厚,降低分子間結(jié)合力,泥巖發(fā)生不均勻膨脹,水分蒸發(fā)后體積收縮,在干濕循環(huán)的過(guò)程中,泥巖受到拉應(yīng)力作用,產(chǎn)生孔隙與裂縫。通過(guò)SEM照片的對(duì)比可看出，風(fēng)化前后樣品微觀結(jié)構(gòu)具有明顯區(qū)別(圖3)。風(fēng)力、流水的沖擊、切割會(huì)使泥巖表面形態(tài)進(jìn)一步發(fā)生變化；同時(shí)水會(huì)與泥巖中的礦物發(fā)生溶蝕與次生作用,產(chǎn)生次生孔隙,降低泥巖的強(qiáng)度。與新鮮泥巖相比,風(fēng)化泥巖孔隙的大小、形狀及排列均發(fā)生了不同的變化。受風(fēng)化作用的影響,原先較平整光滑的泥巖表面破碎分解,開始出現(xiàn)許多孔隙與顆粒,且孔隙有增大趨勢(shì)；同時(shí)孔隙的形狀也變得圓滑,復(fù)雜程度增加；原有的定向性被破壞,孔隙排列變得混亂且松散(圖4)。

顏色是物體對(duì)光的反射被人體感知的結(jié)果,新鮮泥巖結(jié)構(gòu)致密,表面相對(duì)平滑(圖5-a),光線入射后按一定角度反射,經(jīng)肉眼感知到相應(yīng)的顏色；風(fēng)化作用改造后,孔隙大小、形狀及排列的變化,使泥巖的表面起伏變大(圖5-b),隨著反射面粗糙度的增加,雙向反射分布函數(shù)單調(diào)下降,反射更加充分,亮度大幅度提升[23],亮度L值增加。因此,泥巖在風(fēng)化后亮度L增長(zhǎng),且結(jié)構(gòu)完全破壞的粉末樣與原狀樣L值差異顯著(表2、表3)。此外,色度參數(shù)中僅亮度L與平均形狀系數(shù)的相關(guān)性相對(duì)較好(表5),其余幾個(gè)參數(shù)相關(guān)性較差,說(shuō)明孔隙形狀的變化對(duì)泥巖表面粗糙度的作用要比其它結(jié)構(gòu)參數(shù)更強(qiáng)。

新鮮泥巖以薄層片狀顆粒堆疊為主,孔隙較小且形狀不規(guī)則(圖5-c)；在風(fēng)化作用后,原先較為平整泥巖表面被破壞,孔隙增大,形狀變得圓滑,下層結(jié)構(gòu)暴露在新的孔隙中,層內(nèi)不同致色粒子隨機(jī)分布(圖5-d),改變?cè)械捏w積光散射,泥巖的顏色發(fā)生變化[24],表現(xiàn)為紅綠度a值和黃藍(lán)度b值的增加。由于泥巖中Fe2O3含量遠(yuǎn)小于Al2O3、SiO2含量,紅棕色地層顏色歸因于赤鐵礦,黃、灰色巖石歸因于綠色粘土礦物(綠泥石、伊利石)[25],因此a值增長(zhǎng)較小,b值增長(zhǎng)較大。

圖5 結(jié)構(gòu)變化對(duì)泥巖顏色的影響

5 結(jié)論

(1) 對(duì)豬馱山彩色丘陵泥巖色度測(cè)試發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)的改變會(huì)對(duì)泥巖顏色變化造成影響,泥巖的色度參數(shù)L、a、b值在風(fēng)化后有不同程度的增長(zhǎng),顏色向著更亮、更紅、更黃的方向變化。彩色丘陵不同顏色泥巖的色度參數(shù)有一定規(guī)律,L值從小到大依次為紅、綠、黃色系,a值從小到大依次為綠、黃、紅色系,b值從小到大依次為綠、紅、黃色系。

(2) 泥巖化學(xué)成分以Si、Al、Fe為主,不同顏色的泥巖間成分變化較大,風(fēng)化樣品與新鮮樣品對(duì)應(yīng)的元素含量變化較小,泥巖樣品經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化作用較弱。樣品微觀結(jié)構(gòu)在風(fēng)化前后有明顯區(qū)別,物理風(fēng)化造成的結(jié)構(gòu)變化是影響研究區(qū)泥巖顏色變化的主要因素。

(3) 孔隙的大小、形狀、排列等結(jié)構(gòu)參數(shù)在風(fēng)化作用后均發(fā)生不同程度的變化,泥巖顏色變化可能受到形狀、排列狀態(tài)變化的影響,表面粗糙度和孔隙形狀的變化可能是風(fēng)化后泥巖色度參數(shù)增大的原因。

(4) 彩色丘陵多處于干旱地區(qū),化學(xué)風(fēng)化作用普遍較弱,物理風(fēng)化對(duì)巖石的作用更顯著,對(duì)這類以物理風(fēng)化為主的巖石,顏色變化對(duì)風(fēng)化程度有一定的指示意義。