火山巖風(fēng)化程度的厘定
——以黔西晚二疊世超基性巖和基性玄武巖為例

劉德成, 王衛(wèi)東

(1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)集團(tuán)有限公司,北京 100050; 2.北京市地質(zhì)災(zāi)害防治研究所,北京 100120;3. 北京市京盛工程勘察有限公司,北京 102206; 4.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075;5. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué)),湖南 長沙 410075)

0 引言

風(fēng)化作用是引起巖石力學(xué)性能劣化的重要因素[1-2],在地質(zhì)災(zāi)害評價與防治、水利水電工程勘察中發(fā)揮著重要作用,全風(fēng)化或中—強(qiáng)程度風(fēng)化都會引起巖質(zhì)邊坡力學(xué)性質(zhì)(彈塑性、脆性、延性、流變性等)的降低[3-4],進(jìn)而引發(fā)不良地質(zhì)災(zāi)害。目前,地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、水利水電工程、礦山工程、建筑與土木工程等領(lǐng)域定量判斷巖體(石)風(fēng)化程度的方法主要包括力學(xué)參數(shù)分析法[5-7]、工程物探方法[8-13]和數(shù)學(xué)地質(zhì)方法[14]。《GB 50218—94工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[5]提出了基于波速比(Kv)和風(fēng)化系數(shù)(Kf)的巖石風(fēng)化程度定量分類標(biāo)準(zhǔn),但這兩種分類標(biāo)準(zhǔn)都需要以獲取新鮮巖石的縱波速度、飽和單軸抗壓強(qiáng)度背景值為前提; 王曉峰等[7]采用常規(guī)量化指標(biāo)飽和單軸抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength,UCS)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù),建立了巖石風(fēng)化程度的定量分類標(biāo)準(zhǔn),但在試驗(yàn)中不同規(guī)格設(shè)備得到的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)有很大差異性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度差、離散性大; 邵長云等[8]通過鉆孔超聲波測試,將縱波與橫波的速度換算成波速比來劃分巖石的風(fēng)化程度,但巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度會直接影響巖體波速,在實(shí)際應(yīng)用中很難取得理想效果。此外,巖石力學(xué)參數(shù)測試普遍存在過程復(fù)雜、周期長、經(jīng)濟(jì)成本高、應(yīng)用范圍局限等問題[15-16],而巖石樣品的主成分測試相對簡單,且部分元素的地球化學(xué)指標(biāo)具有廣泛的適用性,通過構(gòu)建不同化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)與巖石風(fēng)化程度的關(guān)系,利用多項(xiàng)指標(biāo)評價并劃分巖石風(fēng)化程度,對不良地質(zhì)災(zāi)害的評估與防治工作具有實(shí)用意義。

化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的原理基于當(dāng)新鮮巖石遭受風(fēng)化淋濾后,其化學(xué)組分理論上會發(fā)生相應(yīng)變化,被廣泛應(yīng)用于巖石風(fēng)化程度的評價研究[1,17-21]。本文著重評述了在以往研究中被認(rèn)為能較好反映火山巖風(fēng)化程度變化的12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)及其使用上的局限性,并引入了巖石氧化因數(shù)Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO))[22-26]劃分判定了黔西晚二疊世超基性巖和基性玄武巖的風(fēng)化程度,進(jìn)而用該指標(biāo)與12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)做散點(diǎn)交會,評價這12種指標(biāo)在超基性巖和基性巖風(fēng)化程度判定中的適用性。研究可為超基性巖和基性玄武巖巖質(zhì)地區(qū)不良地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、評價與防治提供科學(xué)依據(jù),為中性巖和酸性巖風(fēng)化程度的劃分提供新思路和新方法。

1 常用化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)及其適用性

自20世紀(jì)20年代以來,國內(nèi)外學(xué)者已提出了30多種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)[1,4,19,27-50],大多數(shù)指標(biāo)都以全巖化學(xué)成分的測試分析為基礎(chǔ),多以沉積巖和巖漿巖為研究對象,不同化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)都有其優(yōu)點(diǎn)和使用的局限性。本文著重評述了在以往研究中被認(rèn)為適合用于巖漿巖風(fēng)化程度評判的風(fēng)化指數(shù),包括鋁-鐵鎂指數(shù)(Al-Fe Mg,A-FM)[4]、修訂過的風(fēng)化潛力指數(shù)(modify weathering potential index,MWPI)[29]、帕克風(fēng)化指數(shù)(weathering index of Parker,WIP)[31]、科爾曼風(fēng)化指數(shù)(weathering index of Colman,WIC)[32]、化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration,CIA)[33]、堿-鋁指數(shù)(basicity aluminium index, BA)[34]、原生礦物蝕變指數(shù)(mineralogical index of alteration,MIA)[38]、燒失量(loss on ignition ,LOI)[39-40,45]、風(fēng)化潛力指數(shù)(weathering potential index,WPI)[41]、風(fēng)化指數(shù)(weathering index,W)[42]、花崗巖風(fēng)化指數(shù)(weathering index of gra-nite,WIG)[44]、玄武巖風(fēng)化指數(shù)(basalt weathering index,BWI)[48]等12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)及其使用局限性。

彭晉[4]基于不同風(fēng)化階段(除極端風(fēng)化程度外)呈高度不溶性三價態(tài)的Fe3+富集與Al富集具有一致性,而二價態(tài)的Fe2+和Mg的活動性較強(qiáng)的特點(diǎn),提出了風(fēng)化指數(shù)A-FM,該指數(shù)對峨眉山玄武巖風(fēng)化程度的變化敏感性顯著,更適用于判定風(fēng)化前期玄武巖的風(fēng)化程度; Reich[29]提出的MWPI可以很好地表征玄武巖剖面的風(fēng)化程度,表現(xiàn)為從新鮮玄武巖、半風(fēng)化玄武巖到土壤的MWPI值逐漸減小,但該指標(biāo)不適用于黑色頁巖和沉積碎屑巖風(fēng)化程度的評價; Parker[31]通過計(jì)算硅酸巖中堿金屬和堿土金屬元素在風(fēng)化產(chǎn)物中所占的比例,提出用WIP評價硅酸巖風(fēng)化強(qiáng)度,但堿金屬和堿土金屬元素在強(qiáng)風(fēng)化情況下會嚴(yán)重流失,顯然不適用于評價風(fēng)化程度較高的巖石; WIC由Coleman[32]以風(fēng)化過程中活動性元素的氧化物(Na2O、K2O、CaO、MgO)和不活躍元素的氧化物(Al2O3、Fe2O3、TiO2)的摩爾比值來定義,隨風(fēng)化程度的增高WIC值減小,該指標(biāo)對酸性花崗巖較為敏感,不適合含碎屑和自生方解石的沉積巖的風(fēng)化評價; Nesbitt等[33]基于加拿大古元古代花崗巖-輝石巖等化學(xué)組成相對均一的巖漿巖的風(fēng)化研究,以不活躍元素的氧化物Al2O3和活動性元素的氧化物Na2O、K2O和CaO的摩爾比值來定義化學(xué)蝕變指數(shù)CIA,其值隨風(fēng)化程度的增高而增大,其應(yīng)用前提是風(fēng)化母巖的化學(xué)組成相對均一; Harnois[34]提出的堿-鋁指數(shù)BA是易溶組分堿金屬、堿土金屬元素與相對穩(wěn)定元素Al的比值,該指數(shù)應(yīng)用的前提是假設(shè)風(fēng)化過程中Al不活躍,但在實(shí)際風(fēng)化過程中該條件很難滿足,適用于母巖化學(xué)組分均勻的巖石風(fēng)化程度的判定。Voicu等[38]提出的指示原生礦物蝕變程度的指標(biāo)MIA=2×(CIA-50),克服了CIA指標(biāo)的取值范圍局限于50～100之間的不足,但存在和CIA指標(biāo)同樣的使用限制。

Irfan[39-40]對香港風(fēng)化火山巖特征的研究表明,WPI和LOI等指標(biāo)能較好地指示火山巖和花崗巖風(fēng)化程度的變化。但Duzgoren等[51]在對同一地區(qū)火山碎屑巖化學(xué)風(fēng)化指數(shù)的評估中注意到LOI與某滑坡酸性火山碎屑巖風(fēng)化程度之間的相關(guān)關(guān)系很差。此外,徐則民等[45]在峨眉山玄武巖風(fēng)化程度評價中注意到當(dāng)風(fēng)化程度較低時,LOI對風(fēng)化程度的指示性較差,在風(fēng)化中后期,風(fēng)化程度越高,LOI越大。因此,LOI適合風(fēng)化中后期,而不適用于風(fēng)化初期的玄武巖風(fēng)化程度評價。Price等[41]提出的風(fēng)化潛力指數(shù)WPI對于玄武巖風(fēng)化程度的變化更敏感,隨著玄武巖風(fēng)化程度的加深,WPI的變化比WIP、PI、SA、STI更顯著,但不適用于沉積巖風(fēng)化程度評價。Ohta等[42]基于基性巖、中性巖、酸性巖及其風(fēng)化產(chǎn)物的化學(xué)組成建立的風(fēng)化指數(shù)W,適用于化學(xué)組成不均一巖漿巖的風(fēng)化程度的判定; Gong等[44]基于花崗巖風(fēng)化過程提出的風(fēng)化指數(shù)WIG,其計(jì)算不需要CO2含量的數(shù)據(jù),為依據(jù)全巖主量元素?cái)?shù)據(jù)判定巖石風(fēng)化程度提供了可能; 王衛(wèi)東等[49]提出了玄武巖化學(xué)風(fēng)化指數(shù)BWI,并與常用的CIA、WPI等18種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)比較,發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)在對基性玄武巖風(fēng)化程度的判別中單調(diào)性更為顯著。

2 巖石氧化因數(shù)的常見表達(dá)式

巖石遭受物理作用和化學(xué)風(fēng)化作用的改造使得低價態(tài)的Fe2+被氧化為高價態(tài)的Fe3+,Fe3+快速水解氧化成Fe(OH)3,再經(jīng)過脫水形成Fe2O3,而硅酸鹽中的Al3+被水解成Al2O3膠體,風(fēng)化的最終產(chǎn)物為鋁土礦,巖石遭受以水化作用為主的化學(xué)風(fēng)化作用的結(jié)果必然造成Fe3+和Al3+的富集,Fe2+減少[25-26,52-54]。因此,巖石中鐵的氧化物Fe2O3、FeO的含量及兩者比值可以反映巖石的氧化程度及相關(guān)信息。

用以評價巖石氧化程度的指標(biāo)一般稱為氧化率、氧化度、氧化系數(shù),計(jì)算表達(dá)式見表1。本文對巖石氧化程度的計(jì)算沿用Matthews[55]提出的計(jì)算表達(dá)式Fe2O3/(Fe2O3+FeO),稱為氧化因數(shù),變量符號為Xo。

表1 巖石氧化程度指標(biāo)Tab.1 Indicators forevaluating the rock oxidation degree

3 現(xiàn)存問題與風(fēng)化巖石下限參考標(biāo)準(zhǔn)

3.1 現(xiàn)存問題

盡管巖石氧化因數(shù)是判斷巖石風(fēng)化程度的一項(xiàng)重要參數(shù),但國內(nèi)將其應(yīng)用于火山巖氧化程度或風(fēng)化程度的實(shí)踐較少。黃建霞[57]在廈門港灣氧化還原沉積環(huán)境的劃分研究中根據(jù)Fe3+/Fe2+值,粗略劃定在強(qiáng)氧化環(huán)境區(qū)Fe3+/Fe2+值高于1.5,弱氧化環(huán)境區(qū)Fe3+/Fe2+值介于0.8～1.5。單玄龍等[58]應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了松遼盆地營城組陸上氧化環(huán)境火山巖的氧化比(Fe3+/Fe2+)高于0.8。該指標(biāo)的不足之處是沒有考慮火山巖與沉積巖在形成條件、發(fā)育環(huán)境、分布規(guī)律等方面的顯著差異,劃分沉積物氧化程度的臨界標(biāo)準(zhǔn)并不適用于由火山作用形成的火山巖。

根據(jù)Le Maitre[56]的數(shù)據(jù),本文統(tǒng)計(jì)了鈣堿性系列火山巖(拉斑玄武巖、玄武巖、安山巖、英安巖、流紋英安巖和流紋巖)的氧化因數(shù)平均值(表2),發(fā)現(xiàn)在同一氧化還原環(huán)境中,不同巖漿酸度火山巖的Xo值和Fe2O3/FeO值差異較大,表現(xiàn)為巖漿酸度越高,火山巖氧化因數(shù)Xo越高(表2),即火山巖Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值或Fe2O3/FeO值與巖漿酸度存在正相關(guān)。因此,根據(jù)黃劍霞[57]和單玄龍等[58]采用傳統(tǒng)方法構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn),不能對不同巖漿性質(zhì)火山巖的氧化程度或風(fēng)化程度進(jìn)行有效的判別。

表2 鈣堿性系列火山巖氧化因數(shù)Xo平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果[56]Tab.2 Average value of rock oxidation factor Xo for calcalkaline series volcanic rocks[56]

3.2 風(fēng)化巖石下限參考標(biāo)準(zhǔn)

前述表明,在應(yīng)用火山巖氧化因數(shù)Xo判斷火山巖氧化程度或風(fēng)化程度時,針對超基性巖、基性巖、中性巖和酸性巖應(yīng)選取不同的下限標(biāo)準(zhǔn)。Matthews[55]利用Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值對一些在風(fēng)化作用中易受影響的氧化物,如CaO,MgO,K2O和H2O的含量進(jìn)行投圖,表明風(fēng)化的玄武巖常表現(xiàn)出Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值增大的特點(diǎn),若氧化物Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值大于0.55,玄武巖就不能被視為新鮮的巖石。因此,本文中風(fēng)化玄武巖的氧化因數(shù)Xo下限標(biāo)準(zhǔn)取值0.55(圖1)。

圖1 基于氧化因數(shù)Xo的不同酸度火山巖風(fēng)化巖石與新鮮巖石下限標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Lower limit standards for weathered and fresh volcanic rocks with different acidity based on oxidation factor Xo

由于本文的實(shí)例研究中還涉及到超基性巖,結(jié)合Le Maitre[56]和何衍鑫等[59]的研究成果,計(jì)算統(tǒng)計(jì)超基性巖、基性巖、中性巖和酸性巖弱氧化環(huán)境(即微風(fēng)化巖石與新鮮巖石)判定下限標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)超基性巖氧化因數(shù)Xo值大于0.44(圖1),不能被視為新鮮的巖石。

4 黔西晚二疊世玄武巖風(fēng)化程度的厘定

4.1 分析方法與數(shù)據(jù)獲取

本文以郭靖[60]取自黔西不同風(fēng)化層的6件晚二疊世超基性巖樣品和3件基性玄武巖樣品為研究對象,9塊樣品氧化因數(shù)Xo與12種化學(xué)風(fēng)化指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)合圖1構(gòu)建的超基性巖和基性巖氧化因數(shù)Xo的下限標(biāo)準(zhǔn),以及郭靖[60]文章中的定性描述和基于可拓學(xué)定量評價的風(fēng)化成果,定量判定巖石樣品風(fēng)化程度。

表3 黔西超基性巖和玄武巖氧化因數(shù)Xo與化學(xué)風(fēng)化指數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of oxidation factor Xo and chemical weathering index of ultrabasic rocks and basalts in Western Guizhou Province

4.2 玄武巖風(fēng)化程度的厘定

9塊樣品中,樣品1#和2#取自弱風(fēng)化層,樣品3#和4#取自中風(fēng)化層,樣品5#、6#和7#取自強(qiáng)風(fēng)化層,樣品8#和9#取自全風(fēng)化層。樣品的主成分測試結(jié)果[60]顯示,SiO2和FeO的含量隨超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的加深呈顯著減小的趨勢,而Fe2O3和Al2O3的含量隨超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的加深呈顯著增加的趨勢(圖2),證實(shí)風(fēng)化作用會造成Fe2O3和Al2O3富集,FeO減少,表明引入氧化因數(shù)Xo評價玄武巖風(fēng)化程度是科學(xué)合理的。

圖2 9塊樣品隨風(fēng)化程度的變化其主要氧化物含量變化趨勢[60]Fig.2 Change trend of main oxide content of 9 samples with the change of weathering degree[60]

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,6件超基性巖和3件基性玄武樣品的Xo值介于0.36～0.98(圖3),以本文確定的下限標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合郭靖[60]的定性分析結(jié)果,將黔西地區(qū)晚二疊世超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定為: 氧化因數(shù)Xo≤0.44、(0.44,0.58]、(0.58,0.72]、(0.72,0.86]和>0.86,依次對應(yīng)超基性巖的新鮮巖石、微風(fēng)化巖石、中風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石; 氧化因數(shù)Xo≤0.55、(0.55,0.66]、(0.66,0.77]、(0.77,0.88]和>0.88,依次對應(yīng)基性玄武巖的新鮮巖石、微風(fēng)化巖石、中風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石(圖3)。

圖3 9塊樣品氧化因數(shù)Xo分布與風(fēng)化(氧化)程度劃分[60]Fig.3 Distribution of oxidation factor Xo distribution and classification of weathering (oxidation) degree in 9 samples[60]

4.3 12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的適宜性評價

將表3中的巖石氧化因數(shù)Xo和12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)做散點(diǎn)交會,評價其對超基性巖和基性巖風(fēng)化程度劃分研究的適用性。9件樣品氧化因數(shù)Xo與WIP(圖4(a))、MWPI(圖4(b))、WIC(圖4(c))、WPI(圖4(d))、WIP(圖4(e))、BA(圖4(f))指標(biāo)散點(diǎn)交會的相關(guān)性表明,對于未風(fēng)化巖石(樣品1#、2#)和微風(fēng)化—中風(fēng)化巖石(樣品3#、4#),兩者無明顯敏感性和單調(diào)性; 但對中強(qiáng)風(fēng)化巖石(樣品5#、6#)和全風(fēng)化巖石(樣品7#、8#、9#),兩者呈顯著負(fù)相關(guān)。說明這6種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)均不適宜風(fēng)化初期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價,僅適合于風(fēng)化中后期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價。

9件樣品的氧化因數(shù)Xo與CIA、BWI、MIA、W、A-FM、LOI指標(biāo)散點(diǎn)相關(guān)性表明,CIA(圖4(g))、MIA(圖4(i))和W[4](圖4(j))這3種指標(biāo)在未風(fēng)化巖石(樣品1#、2#)和微風(fēng)化—中風(fēng)化巖石(樣品3#、4#)中與氧化因數(shù)Xo呈顯著負(fù)相關(guān),在中強(qiáng)風(fēng)化(樣品5#、6#)和全風(fēng)化(樣品7#、8#、9#)巖石中與氧化因數(shù)Xo呈顯著正相關(guān)。表明這3項(xiàng)化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)也不適用于風(fēng)化初期玄武巖風(fēng)化程度的評價,對風(fēng)化中后期玄武巖風(fēng)化程度反應(yīng)敏感。BWI(圖4(h))、A-FM(圖4(k))、LOI(圖4(l))這3種指標(biāo)在新鮮巖石到全風(fēng)化巖石中與氧化因數(shù)Xo均表現(xiàn)出顯著正相關(guān),既適合風(fēng)化初期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價,也適合風(fēng)化中后期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價。

(a) WIP (b) MWPI (c) WIC圖4-1 9塊樣品氧化因數(shù)Xo與12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)散點(diǎn)圖Fig.4-1 Scatter plot of the oxidation factor Xo and 12 chemical weathering parameters of 9 samples

5 結(jié)論

(1)引入巖石氧化因數(shù)Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO)作為巖石風(fēng)化程度的評價指標(biāo),建立超基性、基性、中性和酸性火山巖的新鮮巖石與風(fēng)化巖石下限判別標(biāo)準(zhǔn),厘定了黔西晚二疊世6件超基性巖和3件基性玄武巖樣品的風(fēng)化程度,構(gòu)建了基于巖石氧化因數(shù)的新鮮巖石、微風(fēng)化巖石、中風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化巖石和全風(fēng)化巖石的定量判定標(biāo)準(zhǔn)。

(2)巖氧化因數(shù)Xo與以往研究中被認(rèn)為能較好反映火山巖風(fēng)化程度變化的12種化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)(A-FM、MWPI、WIP、WIC、CIA、Ba、MIA、LOI、WPI、W、WIG、BWI)做散點(diǎn)交會,得出BWI、A-FM、LOI這3項(xiàng)指標(biāo)既適合于風(fēng)化初期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價,也適合風(fēng)化中后期超基性巖和基性玄武巖風(fēng)化程度的評價,其余9種指標(biāo)僅對風(fēng)化中后期超基性巖和基性玄武巖的風(fēng)化程度反應(yīng)敏感。