黃土中鈣質(zhì)結(jié)核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)特征及裂隙展布規(guī)律

季春旭，李彥榮

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

黃土是風塵沉積-成壤過程的產(chǎn)物，是一部承載大陸氣候與環(huán)境演化的巨著[1-2].黃土內(nèi)部由紅色和黃色土壤交替而成.黃土里的含鐵礦物經(jīng)雨水淋洗氧化，同時黃土中富含鹽分的碳酸鈣又被雨水裹挾著向下運移到紅色土質(zhì)的下面，沉積形成鈣質(zhì)結(jié)核[3]，俗稱姜結(jié)石.相對堅硬的紅色土與鈣質(zhì)結(jié)核被作為窯洞的天然屋頂，黃色部分開鑿窯洞主體，形成多層上下分布的建筑格局.鈣質(zhì)結(jié)核的存在使黃土呈現(xiàn)各向異性.

鈣質(zhì)結(jié)核是黃土演化過程中的后生產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)及含量特征變化可代表溫濕與干冷交替環(huán)境下黃土形成的氣候旋回[4-6]，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[1]，在分布規(guī)律、物質(zhì)成分[7]、形態(tài)結(jié)構(gòu)、形成年代、孢粉組合[8]等地質(zhì)成因方面已有大量研究.由于鈣質(zhì)結(jié)核分布廣泛、大小不一、形態(tài)多變、結(jié)構(gòu)復雜，其形成過程至今不明確.鈣質(zhì)結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及裂隙展布規(guī)律是結(jié)核形成演化分析的基礎(chǔ)，也是結(jié)核強度特征的重要指標.

完型結(jié)核是定量研究結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的代表性樣品，對其結(jié)核結(jié)構(gòu)的分析可影響對黃土地層強度特征的認識，也可為黃土高原地區(qū)氣候演化及工程地質(zhì)分析提供理論依據(jù).選擇代表性的山西壽陽離石黃土地層中的完型結(jié)核樣品，通過分析其斷口特征與干密度特征，初步探索其結(jié)構(gòu)與形成環(huán)境的關(guān)系.

1 試驗樣品與試驗方法

1.1 試驗樣品

結(jié)核形態(tài)多變、結(jié)構(gòu)復雜，參考國內(nèi)外文獻結(jié)合發(fā)育模式與形態(tài)特征，可將鈣質(zhì)結(jié)核分為：雛形結(jié)核（長軸為1～5 cm）、鈣板狀結(jié)核（厚度為10～50 cm）、完型結(jié)核（長軸為10～40 cm），其中完型結(jié)構(gòu)分布最為廣泛[2,9].現(xiàn)場收集整理的完型結(jié)核典型形態(tài)見圖1.

圖1 完型結(jié)核形態(tài) Fig.1 morphological character of calcareous nodules

完型結(jié)核內(nèi)部具有分層結(jié)構(gòu)[10-11].以完型結(jié)核為典型樣品，對結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究.

樣品采自山西省壽陽縣景尚村黃土剖面離石黃土地層中的完型結(jié)核層.黃土坡面上部馬蘭黃土中結(jié)核數(shù)量少，個體小，結(jié)核不連續(xù)，大多數(shù)孤立分布于土層中.采樣結(jié)核層鈣質(zhì)結(jié)核輪廓與周圍黃土界限清晰，呈層稀疏分布.樣品直徑介于6～20 cm.結(jié)核外層多為淺灰色，內(nèi)部顏色較深（見圖2）.

圖2 樣品采集 Fig.2 sample acquisition

1.2 試驗方法

密度與結(jié)構(gòu)以及礦物組成密切相關(guān).利用分層干密度來分析結(jié)核分層結(jié)構(gòu)的致密呈度.

為了分析結(jié)核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)與致密程度的關(guān)系，對結(jié)核不同層位的代表塊體進行了干密度的測試.分別取外層、內(nèi)層、中心的致密塊體（見圖3）進行干密度測試，實驗步驟如下.

圖3 測試干密度部分小塊樣品 Fig.3 test the dry density of small samples

（1）樣品自然風干，用高壓泵清理表面覆土.

（2）利用手持3D掃描儀掃描樣品表面，重建結(jié)核立體影像，計算體積V，見圖4.

圖4 樣品掃描過程 Fig.4 sample scanning process

（3）用烘箱烘干樣品，并稱得結(jié)核干質(zhì)量M.

（4）用切割機準確切下外層、內(nèi)層的典型代表小塊樣品.

（5）用手持3D掃描儀掃描小塊樣品重建計算體積v，烘干稱得質(zhì)量m.

（6）通過ρ=m/v計算得到結(jié)核、外層、內(nèi)層的干密度.

2 試驗結(jié)果

2.1 斷口特征

斷口是結(jié)核最為薄弱的結(jié)構(gòu)面，可以清晰辨識結(jié)核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu).完型結(jié)核斷口見圖5.結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，具有多個同心圓黑色弧線，呈樹木年輪狀.同心環(huán)狀構(gòu)造大多存在于渾圓形結(jié)核中，一般僅見兩圈或三圈，各圈在顏色、致密程度、孔隙率、碎屑組分和粒度、碳酸鈣含量等方面有差異.層圈之間的界限呈突變或漸變，意味著結(jié)核形成過程中存在短暫的間斷[12].

圖5 完型結(jié)核斷口 Fig.5 fracture of calcareous nodules

完型結(jié)核斷口結(jié)構(gòu)主要為同心圓狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)越多，裂隙越發(fā)育.

結(jié)核外層厚度較大時，中心發(fā)育良好，內(nèi)層厚度較小甚至不存在；中心厚度大時，外層和內(nèi)層厚度接近，都較小.

2.2 分層特征

根據(jù)各層顏色的差異，利用AutoCAD軟件繪制鈣質(zhì)結(jié)核斷口結(jié)構(gòu)，觀察、分析鈣質(zhì)結(jié)核的結(jié)構(gòu)特征.本次共繪制出29幅鈣質(zhì)結(jié)核的斷口結(jié)構(gòu)素描圖，見圖6.

圖6 完型結(jié)核斷口素描 Fig.6 drawings of fracture of calcareous nodules

2.3 裂隙特征

圖7為樣品分層面積、裂隙面積和裂隙面積比.

由圖7（a）可見，分層裂隙中心面積明顯占優(yōu)勢，因為中心裂隙最寬，向外逐漸變窄.

由圖7（b）可見，外層發(fā)育厚度大時，結(jié)核結(jié)構(gòu)致密，一般沒有或少有裂紋.中心發(fā)育厚度大時，裂隙發(fā)育較多，中心裂縫寬度的平均值為0.023 6 mm，內(nèi)層裂縫寬度的平均值為0.005 mm.中心裂縫寬大，明顯大于內(nèi)層寬度，表明結(jié)核裂隙由中心向外層寬度變窄，到外層殲滅.

由圖7（c）可見，只看分層面積，中心厚度大時，面積也不占優(yōu)勢，而利用裂隙面積占比，中心裂隙面積與中心面積比明顯占優(yōu)勢.

圖7 分層面積、裂隙面積和裂隙面積比 Fig.7 stratified area, fracture area and proportion

根據(jù)結(jié)核中裂縫的產(chǎn)狀，利用理正繪制鈣質(zhì)結(jié)核裂縫玫瑰花圖，見圖8.分析玫瑰花圖發(fā)現(xiàn)研究區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核中最容易出現(xiàn)裂縫在N55°W的方向.

圖8 裂隙走向玫瑰圖 Fig.8 fissure strike rosette

2.4 分層干密度

密度可以反映孔隙率，可作為體現(xiàn)礦物致密程度的標準.結(jié)核的分層干密度是結(jié)核分層結(jié)構(gòu)的一項定量指標，且存在一定規(guī)律.結(jié)核分層干密度見圖9.

圖9 干密度 Fig.9 dry density

由圖9可見，結(jié)核外層干密度介于2.13～2.52g/cm3，平均值為2.30 g/cm3；內(nèi)層干密度介于2.06～2.74 g/cm3，平均值為2.38 g/cm3；中心干密度范圍介于2.30～2.70 g/cm3，平均值2.46 g/cm3.

所有樣品均顯示外層干密度小于中心干密度.干密度平均值由大到小排列：中心干密度＞內(nèi)層干密度＞外層干密度，結(jié)核內(nèi)部干密度由外層向中心的增大趨勢，揭示了結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密程度的規(guī)律.外層、內(nèi)層、中心干密度的標準差分別為 0.09 g/cm3、0.15 g/cm3、0.09 g/cm3外層、中心干密度的標準差較小，表明不同結(jié)核的外層、中心致密程度較一致.內(nèi)層標準差較大，代表不同結(jié)核內(nèi)層干密度之間的差異較大，表明內(nèi)層的結(jié)構(gòu)更為復雜.因此，結(jié)核的形成、發(fā)育過程中，外層和中心相對穩(wěn)定，而中間夾的內(nèi)層呈現(xiàn)較大差別.

3 結(jié)論

鈣質(zhì)結(jié)核的結(jié)構(gòu)特征、裂隙特征與其形成環(huán)境有關(guān).結(jié)核形成過程中的風化成土作用和固結(jié)成巖作用導致鈣質(zhì)結(jié)核呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)類型.

（1）完型結(jié)核分層結(jié)構(gòu)明顯，外層、內(nèi)層、中心顏色逐漸加深.裂隙由結(jié)核中間向外拓展，中間位置裂隙最寬，向外逐漸變窄，未達到外層前殲滅，這些裂縫系統(tǒng)是干縮龜裂引起.

（2）結(jié)核內(nèi)部裂隙發(fā)育由中心向外拓展，延伸走向主要集中在N55°W.裂口中心層最寬，外層未見.

（3）結(jié)核的形成、發(fā)育過程中，外層和中心層相對穩(wěn)定，而中間夾的內(nèi)層呈現(xiàn)較大差別.