米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組砂巖球狀風(fēng)化特征及成因機(jī)制

師文文，楊兆林，尹洪榮，牛基宏，杜貴超，陳娟，陳奕陽(yáng)，崔耀科

1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安 710065

0 引言

球狀風(fēng)化又稱(chēng)球形風(fēng)化、球狀分化等。一般指巖層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，被斷層或節(jié)理分割,而后由于化學(xué)與物理風(fēng)化共同作用導(dǎo)致巖石呈“洋蔥狀”圈層剝落的現(xiàn)象[1]。球狀風(fēng)化現(xiàn)象發(fā)育巖石類(lèi)型眾多、分布范圍較廣。在寒帶、熱帶以及干旱-潮濕等不同氣候環(huán)境下的眾多巖層中均有發(fā)育，如：花崗巖、砂巖、鋁土礦等[2-3]。球狀風(fēng)化的廣泛發(fā)育與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)，尤其在工程地質(zhì)、文物保護(hù)、礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)和災(zāi)害地質(zhì)等領(lǐng)域有著重要影響[4-6]。在工程地質(zhì)領(lǐng)域，球狀風(fēng)化作用會(huì)影響巖土結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)，增加施工難度；在文物保護(hù)方面,中國(guó)眾多珍貴的石刻及佛像等文物都面臨著球狀風(fēng)化的破壞風(fēng)險(xiǎn)，球狀風(fēng)化增加了文物的修繕和保護(hù)難度；在地質(zhì)災(zāi)害防治方面，很多地區(qū)邊坡的失穩(wěn)和滑坡都與球狀風(fēng)化關(guān)系密切[7-8]。因此，深入研究球狀風(fēng)化作用的發(fā)育特征及成因機(jī)理，對(duì)進(jìn)一步了解其地質(zhì)營(yíng)力作用機(jī)理、工程地質(zhì)施工、文物保護(hù)以及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治等都有著重要意義。目前，對(duì)球狀風(fēng)化作用的研究主要集中在影響地層力學(xué)性質(zhì)的角度開(kāi)展，對(duì)其成因機(jī)理研究相對(duì)較少且存在較多爭(zhēng)議[9-10]。國(guó)外研究學(xué)者認(rèn)為其形成受巖石組成成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及外部環(huán)境的影響，主要由于Liesegang現(xiàn)象、卸載、體積膨脹、微裂縫、恒定體積變化、應(yīng)力作用和后期差異性風(fēng)化作用等因素所致[11-15]。鑒于此，筆者通過(guò)野外露頭研究、鏡下薄片觀(guān)察、X-射線(xiàn)衍射分析、主量元素及微量元素分析等技術(shù)手段，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，對(duì)米倉(cāng)山地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組砂巖的球狀風(fēng)化特征和形成機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，旨在描述研究區(qū)砂巖球狀風(fēng)化發(fā)育特征、探究其形成的主要控制因素及演化機(jī)理。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

米倉(cāng)山構(gòu)造帶位于揚(yáng)子克拉通北緣，東臨南大巴山斷裂帶，西與龍門(mén)山斷裂帶相接，南為四川盆地，北與漢南推覆構(gòu)造帶及秦嶺造山帶相接，是揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞及拼接過(guò)程中形成的一個(gè)擠壓推覆構(gòu)造帶[16]。該構(gòu)造帶主要經(jīng)歷了晚太古代—早元古代克拉通結(jié)晶基底、晉寧期克拉通褶皺基底、澄江期大陸裂谷、晚震旦世—三疊紀(jì)克拉通蓋層及印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)陸內(nèi)盆山耦合-推覆構(gòu)造等5大構(gòu)造演化階段[17]。前震旦系時(shí)期，米倉(cāng)山構(gòu)造帶變形強(qiáng)烈。晚震旦—中三疊紀(jì)時(shí)期，米倉(cāng)山構(gòu)造帶屬揚(yáng)子克拉通北緣的一部分，處于板塊漂移階段，構(gòu)造變形微弱，以地殼升降運(yùn)動(dòng)為主，沉積了元古界至中生界巨厚的海相地層[18]，受控于三疊紀(jì)晚期開(kāi)始的揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞及縫合，米倉(cāng)山構(gòu)造帶于早侏羅世形成，白堊紀(jì)遭受強(qiáng)烈構(gòu)造變形后，處于抬升、剝蝕至今。

該地區(qū)筇竹寺組地層受震旦紀(jì)燈影組碳酸鹽巖沉積之后全球大面積海侵影響，主要發(fā)育一套濱-淺海泥質(zhì)碎屑巖地層，地層厚度100～800 m(平均約400 m)，由兩個(gè)從細(xì)到粗的沉積旋回組成(圖1)，自下而上可劃分為馬家梁頁(yè)巖段、新家壩粉砂巖段、沙灘頁(yè)巖段及陳家壩砂巖段。馬家梁頁(yè)巖段屬于內(nèi)陸棚近濱岸帶沉積，主要為黑色中薄層頁(yè)巖、含碳質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，底部局部見(jiàn)透鏡狀硅質(zhì)巖屑細(xì)礫巖。新家壩粉砂巖主要為黃灰色薄板狀鈣質(zhì)粉砂巖，發(fā)育沙紋層理，水平層理及水平蟲(chóng)跡。發(fā)育較完整的三葉蟲(chóng)化石，屬近濱下部至遠(yuǎn)濱上部沉積。沙灘頁(yè)巖主要為深灰、黃灰及灰黑色中薄層頁(yè)巖，含粉砂質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖。泥質(zhì)粉砂巖及頁(yè)巖呈韻律發(fā)育。水平層理發(fā)育，含豐富三葉蟲(chóng)類(lèi)生物化石，屬遠(yuǎn)濱帶下部沉積。陳家壩砂巖段巖性及厚度十分穩(wěn)定，主要為深灰-黃灰色中厚層鈣質(zhì)含泥質(zhì)細(xì)-粉砂巖，上部偶夾灰?guī)r透鏡體。該段自下而上砂巖層厚增加，粒度變粗，頂部夾有粗砂巖條帶，屬遠(yuǎn)濱上部沉積[19]。

圖1 米倉(cāng)山構(gòu)造帶地理位置(a)、構(gòu)造(b)及地層綜合柱狀圖(c)Fig.1 Geographical location (a), structure (b) and comprehensive stratigraphic column (c) of Micangshan structural zone

2 野外剖面及“球狀風(fēng)化”發(fā)育特征

寒武紀(jì)地層在廣元市旺蒼縣米倉(cāng)山地區(qū)內(nèi)有良好出露，下寒武統(tǒng)筇竹寺組主要見(jiàn)于鼓城鄉(xiāng)—唐家河沿線(xiàn)。筇竹寺組地層不整合于震旦系燈影組燈四段白云巖之上，并與下寒武統(tǒng)仙女洞組地層整合接觸，巖性從泥頁(yè)巖突變?yōu)榛規(guī)r。球狀風(fēng)化發(fā)育的地層在該構(gòu)造剖面出露地層厚度約30～120 m，為筇竹寺組頂部陳家壩砂巖段，主要為薄層-中厚層鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層泥巖。地層內(nèi)部節(jié)理極為發(fā)育，發(fā)育平行層理、塊狀層理和槽狀交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造，屬臨濱沉積。

球狀風(fēng)化特征主要見(jiàn)于米倉(cāng)山風(fēng)景區(qū)入口處小龍?zhí)镀拭?，受小龍?zhí)镀俨嫉那治g切割，筇竹寺組地層出露良好。球狀風(fēng)化現(xiàn)象主要發(fā)育在該剖面的頂部(圖2)。觀(guān)測(cè)點(diǎn)巖性主要為灰色、深灰色薄層-中厚層泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖夾薄層泥巖。泥質(zhì)粉砂巖地層中結(jié)核發(fā)育，包括肉紅色泥質(zhì)結(jié)核、灰-深灰色鈣質(zhì)結(jié)核及灰黑色碳質(zhì)結(jié)核。鈣質(zhì)結(jié)核通常呈平臥的長(zhǎng)柱狀或橢球狀順層分布。球狀風(fēng)化現(xiàn)象亦發(fā)育于中-厚層泥質(zhì)粉砂巖層中，被節(jié)理切割的短軸狀或長(zhǎng)軸狀泥質(zhì)粉砂巖塊體沿棱角方向遭受風(fēng)化剝蝕，巖塊呈環(huán)帶狀剝落，形成厚度較均勻的松散圈層及中心堅(jiān)硬的核部。短軸狀巖塊最終形成球形，長(zhǎng)軸狀巖塊最終形成橢球形，為典型的砂巖球狀風(fēng)化現(xiàn)象(圖2)。

3 球狀風(fēng)化作用影響因素分析

3.1 巖石學(xué)特征

本文研究的剖面屬筇竹寺組頂部陳家壩砂巖段，主要為薄層-中厚層鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層泥巖。地層內(nèi)部節(jié)理極為發(fā)育，發(fā)育平行層理、塊狀層理和槽狀交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造，屬臨濱沉積。觀(guān)測(cè)點(diǎn)巖性主要為灰色、深灰色薄層-中厚層泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖夾薄層泥巖。泥質(zhì)粉砂巖地層中結(jié)核發(fā)育，包括肉紅色泥質(zhì)結(jié)核、灰-深灰色鈣質(zhì)結(jié)核及灰黑色碳質(zhì)結(jié)核。

圖2 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組球狀風(fēng)化發(fā)育特征Fig.2 Development characteristics of spherical weathering in Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

3.1.1 巖石礦物組分特征

通過(guò)鏡下薄片、掃描電鏡、全巖 X-射線(xiàn)衍射和黏土 X-射線(xiàn)衍射等實(shí)驗(yàn)分析表明，風(fēng)化巖體核部巖性主要為灰-深灰色鈣質(zhì)粉砂巖，碎屑顆粒分選及磨圓較差(圖3)。其中石英顆粒含量平均約占30%，鉀長(zhǎng)石含量為2.3%、斜長(zhǎng)石含量為30.5%。膠結(jié)物主要為方解石及黏土礦物，方解石約占32.4%，黏土礦物含量占4.3%(表1)。方解石膠結(jié)物含量高且主要呈基底式膠結(jié)。黏土礦物主要為伊/蒙混層(84%)、伊利石(9%)、綠泥石(4%)及綠/蒙混層(3%)(表2)。風(fēng)化巖體表層及外部剝落層巖性主要為黃灰色泥質(zhì)粉砂巖，碎屑顆粒主要為石英、鉀長(zhǎng)石及斜長(zhǎng)石。其中石英顆粒平均含量約為59.7%，鉀長(zhǎng)石為4.83%、斜長(zhǎng)石為22.7%(表1)。膠結(jié)物主要為黏土礦物及少量碳酸鹽膠結(jié)物。黏土礦物平均含量約為12.6%，主要為伊/蒙混層(47.3%)、伊利石(39.7%)、綠泥石(6%)及綠/蒙混層(7%)(表2)。方解石含量約占0.2%，呈孔隙式膠結(jié)。

表1 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組X--射線(xiàn)衍射分析巖石礦物成分

分析表明，風(fēng)化巖體核部石英及黏土礦物含量較低，斜長(zhǎng)石及方解石含量較高。而風(fēng)化巖體表層的剝落層石英含量較高,斜長(zhǎng)石的含量較低，鉀長(zhǎng)石含量則相對(duì)增加。自生膠結(jié)物中，相較于風(fēng)化巖體核部，邊部剝落層中的方解石消失殆盡或有極少量殘留，黏土礦物含量則顯著增加，其中伊/蒙混層、伊利石、綠泥石及綠/蒙混層等礦物含量均有明顯增加。

表2 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組X--射線(xiàn)衍射分析黏土礦物成分

a.灰-深灰色鈣質(zhì)結(jié)核；b.黃灰色泥質(zhì)粉砂巖；c.黃灰色泥質(zhì)粉砂巖；d.黃灰色泥質(zhì)粉砂巖。圖3 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組薄片鑒定Fig.3 Thin section microscopic identification from Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

3.1.2 元素地球化學(xué)特征

(1)主量元素特征

元素的活潑性、含量以及風(fēng)化作用強(qiáng)烈程度等都是影響礦物淋失和富集的重要因素，一般而言，活潑性強(qiáng)的元素在風(fēng)化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)淋失，而活潑性較弱的元素則會(huì)出現(xiàn)相對(duì)富集的現(xiàn)象。風(fēng)化巖體核部、表層及剝落層樣品的主量元素測(cè)試顯示，風(fēng)化巖體核部風(fēng)化程度較弱，主量元素以Ca、AI、Na為主，其含量分別為12.34%、17.30%、9.58%，Mg、Fe、K次之，含量分別為2.69%、5.04%、4.33%。相較于風(fēng)化作用較弱的核部，風(fēng)化巖體表層及外部剝落層主量元素變化特征明顯。Ca元素含量顯著降低，由12.34%降低至2.18%～2.47%；Mg、Fe、Al及K離子均呈不同程度的富集，Mg元素含量由2.69%升高至6.30%～6.47%，F(xiàn)e元素含量由5.04%升高至17.92%～18.62%，Al元素含量由17.30%升高至34.64%～35.49%，K元素含量由4.33%升高至16.70%～17.20%(表3)。

表3 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組主量元素分析結(jié)果

(2)微量元素特征

通過(guò)對(duì)風(fēng)化巖體核部、表層及外部剝落層的微量元素分析表明，隨著風(fēng)化作用程度的增加，從核部到邊部剝落層Ba、Zn、Cu、V、Cr、Li、Ni、Ti及B離子含量均呈富集趨勢(shì)。而Mn、Sr、及P則呈現(xiàn)不同程度的遷移和淋濾特征，其中Mn、Si、Sr變化幅度最大(表4)。

表4 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組微量元素分析結(jié)果

3.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)化作用的影響

米倉(cāng)山構(gòu)造帶的形成演化受多期區(qū)域拉張、板塊碰撞和構(gòu)造擠壓的影響，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過(guò)程?？傮w而言，晚三疊世前，米倉(cāng)山構(gòu)造帶位于揚(yáng)子板塊北部的被動(dòng)大陸邊緣。晚三疊世至早侏羅世，受控于揚(yáng)子板塊由東向西的穿時(shí)碰撞，米倉(cāng)山隆起開(kāi)始形成。中侏羅—早白堊世，米倉(cāng)山隆起亦表現(xiàn)為構(gòu)造作用微弱的輕微掀斜。早白堊世晚期—晚白堊世，受太平洋構(gòu)造域的遠(yuǎn)程效應(yīng)，米倉(cāng)山構(gòu)造帶發(fā)生了強(qiáng)烈的陸內(nèi)變形，早期地層遭受強(qiáng)烈構(gòu)造改造。此后，該構(gòu)造帶一直處于抬升、剝蝕至今[20-21]。

研究區(qū)筇竹寺組碎屑巖地層節(jié)理極為發(fā)育，以垂直及高角度張節(jié)理為主，局部亦見(jiàn)剪節(jié)理，節(jié)理呈組系發(fā)育(圖2)。該期節(jié)理發(fā)育可能與早白堊晚期—晚白堊世米倉(cāng)山構(gòu)造帶強(qiáng)烈構(gòu)造變形密切相關(guān)[22]。剖面地層中，節(jié)理的發(fā)育一方面將泥質(zhì)粉砂巖層切割成大小不一的巖塊，削弱砂巖的整體強(qiáng)度使整一緊密的地層變得破碎松散；另一方面，這些節(jié)理是滲流作用的主要通道，使得雨水進(jìn)入巖體。同時(shí)也是地下水主要的儲(chǔ)存空間以及運(yùn)移通道，導(dǎo)致水巖反應(yīng)、熱脹冷縮等物理化學(xué)反應(yīng)沿節(jié)理面、巖層面及巖塊斷面持續(xù)進(jìn)行。因此，構(gòu)造節(jié)理的發(fā)育加速了風(fēng)化作用的進(jìn)程。

3.3 氣候環(huán)境對(duì)風(fēng)化作用的影響

氣候是影響風(fēng)化作用的主要因素之一，其決定著地球表面化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化作用的種類(lèi)和速度，其影響因素主要表現(xiàn)在氣溫和降雨兩個(gè)方面。氣溫越高，降雨量越充沛，風(fēng)化作用的速率就越快。前人研究表明，巖石中的硅酸鹽類(lèi)礦物化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大[23]，從熱帶到極地，隨著緯度的增高溫度的降低，風(fēng)化作用的發(fā)育程度也不斷降低[24]。同時(shí)，降雨尤其是酸性降雨對(duì)砂巖風(fēng)化作用的影響至關(guān)重要，主要表現(xiàn)在沖刷作用、磨蝕作用等物理過(guò)程以及礦物的溶蝕和水解等化學(xué)過(guò)程[25]。另外，潮濕氣候?qū)︼L(fēng)化作用也起到極大的促進(jìn)作用。已有研究表明相對(duì)濕度在95%的條件下不同類(lèi)型的砂巖膨脹幅度增加10%～28%[26]。長(zhǎng)期的干濕交替造成砂巖體積變化導(dǎo)致砂巖內(nèi)外應(yīng)力差發(fā)生改變，造成砂巖不均勻膨脹及收縮，加速風(fēng)化作用進(jìn)程。

3.3.1 研究區(qū)氣候變化特征

米倉(cāng)山地區(qū)位于四川省廣元市旺蒼縣東北部，為典型的山地亞熱帶濕潤(rùn)氣候。該地區(qū)氣溫呈現(xiàn)出季節(jié)性溫差及日均溫差大的特征。據(jù)對(duì)近10年氣象資料的統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)2011—2020年日均最高氣溫32.3℃，最低氣溫19.5℃，晝夜平均溫差約12℃(圖4)。同時(shí)，氣溫季節(jié)性差異較大，最低氣溫一般出現(xiàn)在每年12月份到次年1月份，平均最低氣溫基本在0℃±。夏季最高氣溫日均29.3℃，最低氣溫日均20.5℃，冬季最高氣溫日均12.2℃，最低氣溫日均5.3℃，季節(jié)性溫差最高達(dá)15～17℃±(圖5)。

圖4 廣元市旺蒼縣日平均氣溫分布圖Fig.4 Daily average temperature in Wangcang County, Guangyuan City

圖5 廣元市旺蒼縣月平均氣溫分布圖Fig.5 Monthly average temperature in Wangcang County, Guangyuan City

統(tǒng)計(jì)表明，旺蒼縣雨量充沛，2011—2020年，雨天達(dá)972 d，多年平均降雨量為1 142 mm。全年降雨量分配不均，季節(jié)性明顯，降水主要集中在夏秋兩季。春季降雨量約占全年降雨量的17.3%，夏季約占54.5%，秋季占25.3%，冬季約占3%。此外，研究區(qū)位于米倉(cāng)山森林公園內(nèi)，多年月平均空氣濕度在70%～80%(表5)。

因此，該地區(qū)溫暖潮濕，常年高濕度、低蒸發(fā)，晝夜溫差及季節(jié)性溫差變化較大的氣候特征有利于物理-化學(xué)風(fēng)化的形成和發(fā)展。

表5 旺蒼縣2011—2020年平均降雨量分布情況

3.3.2 溫度對(duì)砂巖風(fēng)化作用的影響

溫度對(duì)砂巖物理風(fēng)化作用體現(xiàn)在兩方面：宏觀(guān)上，溫度變化及巖石的不均勻受熱往往引起巖石礦物顆粒和膠結(jié)物發(fā)生不均勻膨脹或收縮；微觀(guān)上，礦物顆粒的脹縮作用改變了巖石內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，巖石內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋。甚至在一定的溫度條件下，礦物顆粒的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及成分亦發(fā)生改變[27]。巖石的礦物顆粒成分、分布和排列較為復(fù)雜，往往是非均質(zhì)礦物集合體。巖石中不同礦物在高溫條件下的熱膨脹系數(shù)均不相同，因此巖石受熱后不同礦物顆粒變形程度亦有所不同[28]。巖石內(nèi)部礦物顆粒的差異膨脹導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，從而產(chǎn)生新的微小裂縫。這種微小裂隙為后續(xù)水分的侵入、礦物的溶解、水化以及融凍等作用提供了有利條件。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，米倉(cāng)山地區(qū)晝夜溫差以及季節(jié)性溫差大，白天受烈日暴曬砂巖表面的溫度迅速升高，巖體表面溫度一般可以超過(guò)氣溫的60%～70%，達(dá)到40℃±，表面迅速受熱膨脹。由于砂巖的熱傳遞速度較慢，所以?xún)?nèi)部巖石的升溫速度慢且幅度小，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的膨脹程度較低。晚上隨著氣溫的降低巖石表面快速冷卻和收縮，而巖石內(nèi)部卻因向外傳導(dǎo)熱力的速度慢而導(dǎo)致降溫緩慢，相對(duì)應(yīng)的收縮速率也較慢。因此，巖體內(nèi)部及表層長(zhǎng)期的不均勻熱脹冷縮，必然會(huì)使得巖石的內(nèi)外層間產(chǎn)生差異脹縮，周而往復(fù)，導(dǎo)致砂巖表層與核部出現(xiàn)剝落分離現(xiàn)象。

3.3.3 降雨對(duì)砂巖風(fēng)化作用的影響

水的存在促進(jìn)了礦物的水化、融凍和化學(xué)風(fēng)化等反應(yīng)的發(fā)生，對(duì)巖石的風(fēng)化起著至關(guān)重要的作用，始終貫穿巖石風(fēng)化的全過(guò)程[29-31]。研究表明，降雨對(duì)剖面巖體風(fēng)化作用的影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

(1)研究區(qū)年降水量充沛，特別是夏秋兩季，降雨在砂巖表面反復(fù)沖刷，使得部分風(fēng)化嚴(yán)重的巖殼被沖蝕，同時(shí)也使得暴露的微小裂隙變大，為后期雨水的浸潤(rùn)及水巖作用的進(jìn)一步發(fā)生提供有利條件。通常而言，雨量越大、降雨越集中，沖刷破壞作用的影響越明顯。

(2)雨水沿裂隙滲入巖體后發(fā)生水巖化學(xué)反應(yīng)，據(jù)旺蒼縣環(huán)保局大氣檢測(cè)資料，該地區(qū)屬于輕污染-中污染區(qū)域。若按一級(jí)大氣標(biāo)準(zhǔn)衡量，米倉(cāng)山地區(qū)SO2含量超標(biāo)1.96倍。境內(nèi)降水pH值最低為3.26，最高為7，酸雨占82.57%[32]。研究表明在中性和弱堿性條件下，長(zhǎng)石的溶解度最小，強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性條件下，隨酸度和堿度的增加，溶解度增加[33]。酸雨的浸蝕促使方解石、白云石、長(zhǎng)石和巖鹽等不穩(wěn)定礦物溶解，使得巖體內(nèi)部空隙增大。

(3)降雨過(guò)后泥質(zhì)及黏土質(zhì)成分因蒸發(fā)干燥失水，隨著礦物中水合物水分子流失，礦物晶體將產(chǎn)生不均勻收縮，也會(huì)形成大量微-細(xì)裂隙。在循環(huán)失水-吸水過(guò)程中，反復(fù)的不均勻收縮、膨脹促使微觀(guān)尺度上的巖體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)和拉裂損傷，導(dǎo)致巖石裂隙進(jìn)一步發(fā)育，為球狀風(fēng)化的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

(4)酸雨沿巖石的裂隙進(jìn)入巖體內(nèi)部促使砂巖中的碳酸鹽、硫酸鹽等礦物水解并形成黏土礦物，如高嶺石和蒙皂石等，這些黏土礦物一方面使原有膠結(jié)致密的砂巖演變成了大量泥質(zhì)膠結(jié)填充，降低了原巖的力學(xué)強(qiáng)度，另一方面這些黏土礦物遇水后晶層表面因水合作用會(huì)產(chǎn)生膨脹。當(dāng)膨脹力大于外部載荷，砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，加劇了巖石的風(fēng)化和侵蝕。降雨季節(jié)性分布使雨水風(fēng)化作用反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致巖體風(fēng)化破壞不斷積累加劇。

3.4 水巖化學(xué)反應(yīng)

風(fēng)化作用往往導(dǎo)致不穩(wěn)定礦物向穩(wěn)定礦物轉(zhuǎn)變，易遷移元素的流失和弱遷移以及不遷移元素的富集[34-35]。米倉(cāng)山地區(qū)砂巖球狀風(fēng)化發(fā)育地帶的巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖，以方解石膠結(jié)為主，不穩(wěn)定組分長(zhǎng)石、方解石含量較高，而高溫和酸性的環(huán)境會(huì)加快這些礦物的風(fēng)化進(jìn)程。砂巖礦物成分的溶蝕和淋濾以及元素的遷移和富集都與砂巖礦物的穩(wěn)定性密切相關(guān)，即穩(wěn)定性越強(qiáng)，礦物溶蝕的越慢，元素的遷移率也越小。方解石的抗風(fēng)化能力最弱，所以當(dāng)酸性溶液沿著裂隙進(jìn)入到巖層中時(shí)最先開(kāi)始與方解石發(fā)生反應(yīng)，其次是斜長(zhǎng)石，鉀長(zhǎng)石的穩(wěn)定性相對(duì)較高，抗風(fēng)化能力最強(qiáng)。

首先，當(dāng)酸性溶液沿巖石裂隙進(jìn)入巖層內(nèi)部首先與方解石發(fā)生反應(yīng)，造成方解石礦物溶蝕以及Ca2+元素的大量流失，其反應(yīng)過(guò)程為：

CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2

隨著風(fēng)化進(jìn)程的加快以及風(fēng)化程度的增加，巖石中的方解石幾乎被消耗殆盡。此過(guò)程進(jìn)一步增加了巖石的孔隙度，降低了巖石的力學(xué)強(qiáng)度。這也就解釋了風(fēng)化巖體表層及剝落圈層中幾乎不含方解石的原因。

其次，長(zhǎng)石的酸性溶蝕也在同步進(jìn)行。一般而言，長(zhǎng)石的溶蝕有以下3個(gè)步驟：H+進(jìn)入長(zhǎng)石骨架中與K+、Na+、Ca2+等離子進(jìn)行交換；Al3+通過(guò)水解作用溶出；富Si絡(luò)合物形成于長(zhǎng)石表面。長(zhǎng)石在溶蝕以后，K+、Na+、Ca2+等陽(yáng)離子一般隨溶液流失或遷移。Al3+通常在附近形成高嶺石、伊利石等黏土礦物，也可能與有機(jī)酸陰離子絡(luò)合并發(fā)生遷移[36]。長(zhǎng)石與酸的反應(yīng)為：

KAlSi3O8+ 4H2O+4H+=K++Al3++3H4SiO4

NaAlSi3O8+4H2O+4H+=Na++Al3++3H4SiO4

CaAl2Si2O8+8H+=Ca2++2Al3++2H4SiO4

反應(yīng)式表明，鉀長(zhǎng)石及斜長(zhǎng)石在溶蝕的過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量的Al3+離子，這也解釋了隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng)，由核部到表層及剝落層，Al3+元素的含量明顯增加的原因。由于鉀長(zhǎng)石的抗風(fēng)化能力較斜長(zhǎng)石強(qiáng)，故其風(fēng)化作用往往進(jìn)行的比較慢，鉀長(zhǎng)石的風(fēng)化過(guò)程為：

K(AlSi3O8)→K<1Al2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O→AI4(Si4O10)(OH)8→Si2·nH2O/Al2O3·nH2O

這就造成了鉀長(zhǎng)石中的K+元素相對(duì)于斜長(zhǎng)石中的Na+、Ca2+等元素來(lái)說(shuō)流失的相對(duì)較慢，所以由核部到邊部K+離子的含量表現(xiàn)為相對(duì)增加的趨勢(shì)。雖然鉀長(zhǎng)石的抗風(fēng)化能力比較強(qiáng)，但由于斜長(zhǎng)石的含量遠(yuǎn)大于鉀長(zhǎng)石，就造成了Na+元素含量相對(duì)穩(wěn)定。

另外，鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石在風(fēng)化過(guò)程中均可產(chǎn)生高嶺土等黏土礦物，其反應(yīng)為：

2KAlSi3O8+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+2K++4SiO2

2NaAlSi3O8+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+2Na++4SiO2

CaAl2Si2O8+ H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4+ Ca2+

而高嶺石在風(fēng)化的過(guò)程中會(huì)與鉀長(zhǎng)石發(fā)生反應(yīng)，形成伊利石，反應(yīng)式為：

KAlSi3O8+AlSi2O5(OH)4(高嶺石)=KAlSi3O10(OH)2(伊利石)+2SiO2+H2O

因此，盡管長(zhǎng)石在風(fēng)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量高嶺石，但是風(fēng)化巖體表層及剝落層的X-射線(xiàn)衍射分析時(shí)未檢測(cè)到高嶺石存在。

而Fe2+、Al3+和Mg2+元素大量存在于黏土礦物中，當(dāng)蒙皂石向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化的過(guò)程中會(huì)釋放出大量的Fe2+、Mg2+、Na+和Ca2+等元素，這些元素除少部分(如Fe2+，Mg2+)參與泥巖黏土礦物成巖反應(yīng)形成新的組分外，其余可以呈各種無(wú)機(jī)陽(yáng)離子或呈各種有機(jī)絡(luò)合物形式，隨著壓實(shí)流體與CO2和有機(jī)酸一起進(jìn)入砂巖孔隙，生成其他碳酸鹽類(lèi)礦物。這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的Si4+元素，這些Si4+元素一部分氧化形成SiO2，另一部分與有機(jī)酸進(jìn)行絡(luò)合，但這種絡(luò)合物的穩(wěn)定性較差，會(huì)隨水等溶液流失。所以這也就是我們所看到的由核部到邊部隨著風(fēng)化作用的加強(qiáng)，Si4+元素的含量有所減少，但石英含量卻顯著增加的另一個(gè)原因。反應(yīng)式為：

蒙皂石+4.5K++8Al3+=伊利石+Na++2Ca2++

2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

2.4蒙皂石+0.88H2O+1.44H+=綠泥石+0.24Ca2++

0.48Na++0.04Fe2++0.20Mg2++5.82SiO2

隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)，由核部到邊部黏土礦物的含量有所增加，而黏土礦物中伊/蒙混層和綠/蒙混層所占比例很高。這也是導(dǎo)致Fe2+、Al3+和Mg2+元素在主量元素中所占比例出現(xiàn)相對(duì)增加的原因。綜合分析表明，元素以及礦物組分的遷移和轉(zhuǎn)變等微觀(guān)風(fēng)化破壞了原巖的結(jié)構(gòu)、降低了原巖的力學(xué)強(qiáng)度，為以后的宏觀(guān)風(fēng)化創(chuàng)造了條件。

4 砂巖球狀風(fēng)化作用機(jī)制分析

米倉(cāng)山地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組砂巖的球狀風(fēng)化主要受自身巖性、構(gòu)造作用及氣候等因素的影響。該地區(qū)砂巖以鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，結(jié)構(gòu)致密，孔隙度和滲透率相對(duì)較小，風(fēng)化機(jī)理主要為物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。其風(fēng)化過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：

第一階段以物理風(fēng)化為主，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的影響，研究區(qū)筇竹寺組碎屑巖地層斷層極為發(fā)育，以垂直及高角度斷層為主，局部亦見(jiàn)剪節(jié)理，節(jié)理呈組系發(fā)育。泥質(zhì)粉砂巖層被切割成大小不一的巖塊。這些裂隙是雨水進(jìn)入巖體發(fā)生滲流作用的重要通道。水巖反應(yīng)、熱脹冷縮等物理化學(xué)反應(yīng)將沿節(jié)理面、巖層面及巖塊斷面持續(xù)進(jìn)行，使得風(fēng)化作用沿層內(nèi)節(jié)理及巖層面等向巖層內(nèi)部發(fā)展，因此，構(gòu)造節(jié)理的發(fā)育為后續(xù)球狀風(fēng)化的形成奠定了基礎(chǔ)(圖6a、b)。

第二階段以化學(xué)風(fēng)化為主，首先，雨水及空氣中的一些酸性物質(zhì)沿裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入巖層內(nèi)部，化學(xué)風(fēng)化作用沿著被切割巖塊表面開(kāi)始發(fā)生。由于研究區(qū)剖面巖性主要是泥質(zhì)粉砂巖和鈣質(zhì)粉砂巖，其結(jié)構(gòu)致密、孔隙度和滲透率都相對(duì)較小。所以當(dāng)溶液沿節(jié)理滲入時(shí)，溶液下滲的速度和影響范圍減小，導(dǎo)致風(fēng)化作用主要發(fā)生在巖塊表層。其次，當(dāng)溶液從邊部向巖塊核部滲入時(shí)，水溶液由于酸性物質(zhì)的消耗使得溶解能力降低，從而導(dǎo)致只能與巖塊表層發(fā)生水巖化學(xué)反應(yīng)，造成巖塊外部與內(nèi)部呈現(xiàn)出差異風(fēng)化的特征。

另外，風(fēng)化過(guò)程會(huì)伴隨著元素的遷移、聚集和沉淀等，當(dāng)溶液沿著節(jié)理裂縫從外部滲透到巖塊表面和內(nèi)部后與礦物組分發(fā)生反應(yīng)，部分易溶元素發(fā)生遷移而難溶元素富集。巖塊風(fēng)化表面特別是巖塊棱角處暴露于地層流體的表面積較大，水巖化學(xué)反應(yīng)使得元素發(fā)生大量遷移流失[37]。這就造成在巖石的棱角處元素的遷移和流失速率都相對(duì)較大，風(fēng)化程度相對(duì)較強(qiáng)，導(dǎo)致砂巖的風(fēng)化作用不斷往球形方向發(fā)展(圖6c)。

第三階段為物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用的結(jié)合，表層風(fēng)化殼逐層剝落。

風(fēng)化殼的剝落歸因于巖塊差異風(fēng)化導(dǎo)致的膨脹作用，這種膨脹力主要包括3種:①礦物組分的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹；②礦物組分因氣溫的升高而產(chǎn)生的膨脹；③膨脹性黏土產(chǎn)生的膨脹力。

當(dāng)反應(yīng)物沿裂隙緩慢地滲入到巖石內(nèi)部，與巖石礦物組分發(fā)生淋濾、氧化和水巖反應(yīng)的同時(shí)會(huì)造成巖石體積的膨脹。硅酸鹽類(lèi)礦物氧化鋁和鐵的水化導(dǎo)致巖塊表層體積增加，從而導(dǎo)致巖塊表殼膨脹。這種膨脹產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致巖塊表層斷裂剝落。

米倉(cāng)山地區(qū)晝夜溫差及季節(jié)性溫差大，受此影響，當(dāng)溫度升高太陽(yáng)直射到巖石表面時(shí)，巖石外部圈層部分將迅速受熱發(fā)生膨脹，由于熱傳遞速度的影響，巖石的核部仍然處于相對(duì)較低的溫度。當(dāng)溫度下降時(shí)，巖石內(nèi)部和外部放熱的表現(xiàn)則截然相反。巖石內(nèi)外如此往復(fù)的受到截然相反的脹縮應(yīng)力，破壞了巖塊表層及內(nèi)部結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，降低其力學(xué)強(qiáng)度。因此晝夜和季節(jié)性溫差引起的熱脹冷縮反應(yīng)也是風(fēng)化殼剝落的重要影響因素。

圖6 米倉(cāng)山構(gòu)造帶下寒武統(tǒng)筇竹寺組砂巖球狀風(fēng)化作用演化模式Fig.6 Spherical weathering evolutional model of sandstones in Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Micangshan structural zone

當(dāng)反應(yīng)物沿裂隙緩慢地從外部向內(nèi)部滲入，并與巖石發(fā)生反應(yīng)時(shí)不但可以使其巖石本身的礦物組分發(fā)生膨脹，還可以生成大量的次生黏土礦物(伊利石、蒙皂石)。風(fēng)化巖體從核部到邊部這種特殊黏土組分的含量呈明顯增加的趨勢(shì)。這也就造成巖石外部受到的膨脹力相較于內(nèi)部更大，進(jìn)一步促進(jìn)了巖塊表層在膨脹力的作用下發(fā)生剝落，導(dǎo)致核心部分的巖石完好而外部的風(fēng)化殼則出現(xiàn)層狀剝落的現(xiàn)象(圖6d)。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)筇竹寺組風(fēng)化巖體主要為薄層-中厚層鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層泥巖，其結(jié)構(gòu)致密、孔隙度和滲透率都相對(duì)較小。以高長(zhǎng)石、高方解石及黏土礦物膠結(jié)為主要特征，為球狀風(fēng)化作用提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)研究區(qū)筇竹寺組砂巖地層節(jié)理極為發(fā)育，地表水沿裂隙及節(jié)理入滲，導(dǎo)致水-巖反應(yīng)、熱脹冷縮等物理化學(xué)反應(yīng)沿節(jié)理面、巖層面及巖塊斷面持續(xù)進(jìn)行，加速了風(fēng)化作用進(jìn)程。

(3)米倉(cāng)山下寒武統(tǒng)筇竹寺組砂巖的球狀風(fēng)化除了受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候和降雨等因素的影響外，其核心因素是砂巖自身的巖性特征、化學(xué)風(fēng)化作用和不同部位的差異風(fēng)化。

(4)風(fēng)化的形成過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段,分別為節(jié)理的形成以及巖層的分割、核部球體的形成及邊部風(fēng)化殼的剝落。