南陽(yáng)盆地膨脹土成因研究

秦 天，溫靜宇，安夢(mèng)琪

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

膨脹土是由強(qiáng)親水礦物組成的高塑性粘土，主要成分為蒙脫石與伊利石，具有吸水膨脹，失水收縮的特性，是一種“問(wèn)題多的特殊土”[1-3]。南陽(yáng)盆地是形成在秦嶺-大別山褶皺造山帶之上的新生代斷陷盆地，地質(zhì)作用復(fù)雜，巖石類(lèi)型多樣。盆地自西向東，從內(nèi)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)平界直到方城，發(fā)育了大量不同類(lèi)型的膨脹土，其膨脹性由弱到中強(qiáng)，大約占盆地面積65%[4-5]。

前人針對(duì)南陽(yáng)盆地膨脹土開(kāi)展了一系列研究。劉特洪[6]，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理和工程地質(zhì)類(lèi)比法，得出膨脹土各種物理、力學(xué)參數(shù)的特征范圍；孟令超等[7]，利用木質(zhì)素磺酸鈣改良南陽(yáng)弱膨脹土的最佳摻量問(wèn)題，研究在干濕循環(huán)下?lián)搅繉?duì)弱膨脹土的脹縮特性的影響，分析得出木質(zhì)素磺酸鈣可以保持干濕循環(huán)中弱膨脹土的穩(wěn)定，同時(shí)可以抑制弱膨脹土裂隙的發(fā)育；劉娉慧等[8]，以南陽(yáng)段膨脹土為研究對(duì)象，通過(guò)密度計(jì)法對(duì)不同分散劑下的膨脹土進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，研究表明采用六偏磷酸鈉的效果較好，氨水次之，氫氧化鈉效果最差，對(duì)認(rèn)識(shí)和了解膨脹土的工程性質(zhì)具有一定意義；陽(yáng)云華[9]，利用不同特性的南陽(yáng)膨脹土原狀樣與重塑樣，經(jīng)過(guò)在不同含水率下抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)分析，得出土的膨脹性越強(qiáng)，內(nèi)聚力越大，內(nèi)摩擦角越低，含水率越大，力學(xué)強(qiáng)度就越小，在反復(fù)脹縮作用下對(duì)膨脹土的強(qiáng)度有重要作用；張家俊等[10]，通過(guò)將樣品烘干及圖像方法對(duì)南陽(yáng)膨脹土在反復(fù)干濕循環(huán)作用下的裂隙演化規(guī)律進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析得出裂隙發(fā)育與土體完成性破壞之間的關(guān)系：裂隙越發(fā)育，土體范性變形量越大；王曉琪等[11]，通過(guò)模擬不同一維覆土壓力下南陽(yáng)膨脹土的土體水分特征，得出考慮覆土壓力效應(yīng)的土水特征曲線(SWCC)，分析了吸濕路徑下的含水率、吸力、孔隙比和飽和度之間的相互關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，盆地內(nèi)出現(xiàn)了大規(guī)模的房屋裂縫以及路基裂縫等膨脹土問(wèn)題(如圖1所示)，對(duì)工程建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)南陽(yáng)盆地膨脹土的研究主要在上述(物理特性、裂隙性、滲透性等)幾個(gè)方面，但是對(duì)該區(qū)域膨脹土的成因研究較少，沒(méi)有進(jìn)行深入分析。關(guān)于南陽(yáng)盆地膨脹土的成因研究對(duì)重大工程施工以及地質(zhì)災(zāi)害的防治都具有重要意義。因此，本文以膨脹土為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)鉆孔巖芯描述、自由膨脹率試驗(yàn)、X射線衍射分析以及孢粉分析結(jié)果，探討南陽(yáng)膨脹土成因及與古氣候關(guān)系，拓展膨脹土研究的范疇。

圖1 取樣地理位置及取樣點(diǎn)周邊膨脹土造成的危害

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

南陽(yáng)盆地位于河南省西南部和湖北省西北部(如圖2所示)，處于我國(guó)“第二臺(tái)階”與“第三臺(tái)階”的過(guò)渡帶上，整體呈橢圓形，面積約為26569km2[15]。南陽(yáng)盆地北靠伏牛山，東扶桐柏山，西依秦嶺，南臨漢江，三面環(huán)山，一面靠江，整體呈西北高東南低的特征。區(qū)域最高海拔2212.5m，最低海拔72m，相對(duì)高差2140.5m。南陽(yáng)盆地地貌類(lèi)型多樣，分別為高山、中山、低山、丘陵、崗地、平原、河谷的Ⅱ級(jí)階地，其中分布較多膨脹土的低山、丘陵、平原、Ⅱ級(jí)階地為盆地的主要地貌[16-18]。區(qū)域邊界北部以中高山為主，西部由中高山、低山丘陵構(gòu)成，南部為崗地和平原，東部為中山、低山丘陵，地勢(shì)由西北向南緩慢傾斜[19]，呈階梯狀逐漸向南過(guò)渡，逐漸降級(jí)。盆地內(nèi)河流密布，主要有唐河、白河、丹江等，縱貫中部，向南泄入漢水。研究區(qū)社旗縣位于南陽(yáng)盆地東北部，區(qū)域東北部為低山丘陵區(qū)，西南部為壟崗、平原區(qū)域，地勢(shì)由東北向西南傾斜，最高海拔711m，最低海拔103m，相對(duì)高差608m。

圖2 南陽(yáng)盆地區(qū)域構(gòu)造圖

1.2 地層巖性

南陽(yáng)盆地是白堊紀(jì)晚期以來(lái)持續(xù)發(fā)育的斷陷盆地[20]，充填了一套連續(xù)的陸相碎屑沉積地層。沉積蓋層自下而上依次為白堊系、古近系、新近系和第四系地層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

南陽(yáng)盆地是由華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞形成在秦嶺褶皺帶之上的山間斷陷盆地[21-23]。盆地內(nèi)具有典型“五凹五凸”的構(gòu)造格局[24]。區(qū)域整體可劃分為社旗、師崗、新野、唐河及雙溝5個(gè)凸起構(gòu)造單元和泌陽(yáng)、南陽(yáng)、鄧州、襄陽(yáng)及棗陽(yáng)5個(gè)凹陷構(gòu)造單元。南陽(yáng)盆地屬于秦嶺地域，該區(qū)域斷裂發(fā)育，區(qū)域內(nèi)5條主要斷裂分布于南陽(yáng)盆地西北部、中部、東北部，分別是山陽(yáng)-內(nèi)鄉(xiāng)斷裂、新野斷裂、南陽(yáng)-方城斷裂、朱陽(yáng)關(guān)-夏館斷裂和商縣-丹鳳斷裂。

1.4 構(gòu)造演化

晚白堊世時(shí)期，區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)劇烈，盆地周邊山體不斷上升隆起，導(dǎo)致區(qū)域下陷，逐漸形成盆地初貌[25-26]。至末期，在燕山運(yùn)動(dòng)的影響下，盆地進(jìn)入了穩(wěn)定沉降階段，周邊山地隆起，中間區(qū)域下陷成盆地，盆地內(nèi)逐漸形成大大小小的湖泊雛形。古近紀(jì)前期，區(qū)域斷層活動(dòng)劇烈，盆地進(jìn)入快速沉降狀態(tài)，湖盆沉積范圍變廣，湖水加深，以河湖相沉積為主[27-28]；南陽(yáng)盆地中部與西部形成了棕紅色、灰白色，灰綠色粘土。古近紀(jì)中期，凹陷區(qū)域開(kāi)始不均勻緩慢上升，氣候逐漸干熱，湖水緩慢變淺。直到第四紀(jì)早更新世時(shí)期，太平洋板塊向歐亞板塊強(qiáng)烈俯沖[29]，盆地凹陷發(fā)生區(qū)域性差異隆升剝蝕[30]，湖盆急劇減少，結(jié)束了大面積河湖相沉積，部分地貌逐漸形成壟崗和丘陵；該時(shí)期氣候寒冷干燥，盆地內(nèi)化學(xué)程度微弱，在水流搬運(yùn)作用下形成了洪積物，基本不發(fā)育膨脹土[31]。第四紀(jì)中更新世和晚更新世時(shí)期，太平洋板塊向歐亞板塊俯沖結(jié)束，構(gòu)造作用相對(duì)較弱，大部分?jǐn)鄬踊顒?dòng)逐漸停止，盆地普遍發(fā)生緩慢沉降，整體進(jìn)入拗陷充填階段[32-33]，沖洪積、洪積沉積范圍擴(kuò)大至整個(gè)盆地。到了全新世時(shí)期，盆地相對(duì)穩(wěn)定，主要沿河道一帶發(fā)育，形成了沖積平原[34]，地形地貌與現(xiàn)在相似。

2 取樣與研究方法

2.1 取樣

本文在南陽(yáng)市社旗縣泥河趙村布置D01鉆孔，鉆孔深度為17m，對(duì)該區(qū)域膨脹土樣品采集，取得樣品10組。采集完成后進(jìn)行密封、編號(hào)與稱(chēng)重，為后續(xù)做自由膨脹率試驗(yàn)、礦物分析(XRD)試驗(yàn)與孢粉提取試驗(yàn)提供準(zhǔn)備。取得巖芯樣品分為8層，取樣深度為1.2～17m，平均每隔2m取樣，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，繪制鉆孔柱狀圖，如圖3所示。

圖3 泥河趙村D01鉆孔地層柱狀圖

2.2 自由膨脹率試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟及方法依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[35]進(jìn)行。首先，將漏斗置于漏斗支架上，其出口應(yīng)在土壤量杯中間，并保持10mm距離；隨后，將10組樣品分別選取300～500g，并在105～110℃烘干和碾碎，分別經(jīng)過(guò)0.5mm土壤篩后，用取土匙取適量試樣倒入漏斗中。待量土杯裝滿(mǎn)試樣并開(kāi)始溢出時(shí)，停止向漏斗倒土并移開(kāi)漏斗，刮去杯口多余土，稱(chēng)量土杯中試樣質(zhì)量；其次，向50ml的量筒內(nèi)注入20～30ml蒸餾水和5ml濃度為5%的純氯化鈉溶液，將備好的試樣緩慢倒入量筒內(nèi)；最后，用攪拌器上至靜液面下至筒底攪拌溶液10次，經(jīng)蒸餾水沖洗攪拌器和量筒內(nèi)壁上殘留的膨脹土，直至溶液表面平至50ml刻度線。待懸液澄清后，每隔2h測(cè)讀1次土面高度，經(jīng)過(guò)6h內(nèi)的2次讀數(shù)誤差不超過(guò)0.2ml，此時(shí)試樣可視為膨脹穩(wěn)定，記錄下膨脹穩(wěn)定數(shù)值并計(jì)算出膨脹率。按照式(1)分別計(jì)算出試樣的自由膨脹率。

(1)

式中，δef—自由膨脹率，%；Vwe—試樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積，ml；V0—試樣的初始體積，ml。

2.3 礦物分析

為深入了解研究區(qū)膨脹土的粘土礦物含量，對(duì)10組土樣進(jìn)行X射線物相分析。首先，將10組膨脹土樣品研磨為粉末，經(jīng)過(guò)加入10%的過(guò)氧化氫(H2O2)和乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的系統(tǒng)處理，去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，使之能在蒸餾水中形成懸濁液，直到有抗絮凝作用發(fā)生。根據(jù)Stokes法則提取粘土粒級(jí)的成分(<2μm)將小于2μmde顆粒吸出，取上層粘土溶液離心30min，并去除水分，采用刮片的方法制作成定向薄片。粘土礦物樣品的測(cè)試使用理學(xué)D/max-2500PC衍射儀，Cukα輻射，電壓40kV，電流100mA，最后自然風(fēng)干制成自然片，乙二醇飽和7.0～9.0h制成乙二醇飽和片，然后進(jìn)行XRD測(cè)試，將測(cè)試后的飽和片經(jīng)過(guò)馬弗爐500℃高溫加熱2.5h制成高溫片，再次進(jìn)行XRD測(cè)試。

2.4 孢粉試驗(yàn)

本研究采用常規(guī)的孢粉分析方法[36]，即膨脹土樣品在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)過(guò)酸、堿等化學(xué)處理，換水清洗到中性后，用比重為2.1以上的重液在離心機(jī)上進(jìn)行離心浮選，提取孢粉鑒定樣品，再經(jīng)冰乙酸水稀釋、集中，純凈水清洗至中性后制到試管，然后制活動(dòng)玻片在生物顯微鏡下進(jìn)行觀察、鑒定、統(tǒng)計(jì)。最后，使用Tilia軟件對(duì)孢粉百分比進(jìn)行計(jì)算和繪圖。

3 結(jié)果

3.1 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

研究區(qū)膨脹土自由膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，并繪制自由膨脹率與深度的變化曲線(如圖4所示)和不同膨脹潛勢(shì)膨脹土隨深度變化分布散點(diǎn)(如圖5所示)。

表1 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

圖4 研究區(qū)膨脹土自由膨脹率隨土層深度變化規(guī)律

圖5 不同膨脹潛勢(shì)膨脹土隨土層深度變化分布散點(diǎn)圖

根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[37-38]的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，膨脹土的膨脹潛勢(shì)可分為3類(lèi)，自由膨脹率在40～65之間屬于弱膨脹土，在65～90之間屬于中等膨脹土，大于90屬于強(qiáng)膨脹土。

由試驗(yàn)結(jié)果(如圖4—5所示)可知，研究區(qū)膨脹土大部分以中膨脹潛勢(shì)為主，平均膨脹率為80.2%，局部有少量的弱膨脹土和強(qiáng)膨脹土。膨脹土試樣在不同深度的自由膨脹率差異較大，總體呈非線性變化。自由膨脹率曲線可分為3個(gè)階段：①穩(wěn)定階段：膨脹土試樣自由膨脹率在深度1～3m處曲線接近水平，膨脹率緩慢減少增大，逐漸趨于穩(wěn)定，其膨脹潛勢(shì)屬于中膨脹土。②急劇增大減小階段：膨脹土試樣自由膨脹率在深度4～15m處變化較為強(qiáng)烈，整體呈“W”形急劇增大減小。膨脹性以中膨脹為主，但在8.5m處達(dá)到強(qiáng)膨脹潛勢(shì)，膨脹率為91%，在10.5m處膨脹率迅速下降為60%，出現(xiàn)一個(gè)低極值點(diǎn)，這可能與當(dāng)時(shí)的氣候轉(zhuǎn)換相關(guān)或處在河流邊，發(fā)育有較少的弱膨脹土有關(guān)。③快速膨脹階段：在15～17m處，膨脹率從76%迅速增大到119%，處在一個(gè)最高值點(diǎn)，可能與當(dāng)時(shí)構(gòu)造條件下的沉積環(huán)境有關(guān)。由于本試驗(yàn)鉆孔較少，并不能對(duì)比分析該區(qū)域土層的膨脹率大小，是本次試驗(yàn)的一個(gè)缺陷。

3.2 礦物特征

研究區(qū)膨脹土礦物分析結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明，研究區(qū)粘土礦物組合類(lèi)型為伊利石-伊/蒙混層-綠泥石，未檢測(cè)到高嶺石與蒙脫石。其中粘土礦物以伊/蒙混層為主，含量一般在8%～30%之間，平均含量為18.2%；伊利石含量一般在12%～22%之間，平均含量為16.2%；綠泥石含量相對(duì)占比較低，含量一般在0～21%之間，平均含量為12.2%。研究區(qū)碎屑礦物主要為石英，其次為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石與褐鐵礦，碎屑礦物屬于粗粒部分的主要組成物質(zhì)，對(duì)其膨脹土性質(zhì)影響不大，可以不計(jì)考慮。

表2 礦物成分分析表

由礦物分析結(jié)果，做出粘土礦物含量隨土層深度的變化趨勢(shì)圖(如圖6所示)，其反映研究區(qū)主要粘土礦物含量縱向變化特征。隨著土層深度的增加，3組粘土礦物含量在縱向變化上呈非線性關(guān)系。伊利石含量隨著土層深度變化可分為3個(gè)階段，①穩(wěn)定階段：在土層深度1～6m處，伊利石含量相差不大，較平穩(wěn)，其平均含量在14.8%；②逐漸上升階段：在土層深度6～13m處，伊利石含量呈逐漸增大趨勢(shì)；③緩慢下降階段：伊利石含量在13～17m處后逐漸衰減。伊/蒙混層含量隨土層深度變化可分為兩個(gè)階段，①急劇增大減小階段：在土層深度1～8.5m處，伊/蒙混層含量呈急劇增大減小狀態(tài)，整體變化幅度較大，最小含量為8%，最大含量達(dá)到30%；②穩(wěn)定階段：在土層深度8.5m處后含量逐漸穩(wěn)定。綠泥石含量在土層深度1～4m處略微減少，隨之在6m處含量從17%迅速減小到8%，之后便急劇增加并緩慢上升，13m處后綠泥石消失。

圖6 粘土礦物含量隨土層深度變化規(guī)律

研究區(qū)粘土礦物主要以伊/蒙混層為主，其次為伊利石和綠泥石。粘土礦物含量上升說(shuō)明土層深度土壤風(fēng)化程度較高，粘化作用較強(qiáng)，因而具有較高的粘土礦物含量，粘土礦物含量減小可能與當(dāng)時(shí)的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件有關(guān)。伊/蒙混層礦物形態(tài)介于伊利石蒙脫石之間，是由蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，其形成在化學(xué)程度中等的地表環(huán)境，是在弱堿、氣候環(huán)境條件下風(fēng)化形成的物質(zhì)[39]。伊利石是由蒙脫石和高嶺石在一定的地質(zhì)環(huán)境下轉(zhuǎn)換而來(lái)，期間經(jīng)過(guò)母巖物理風(fēng)化，并在淋濾作用不強(qiáng)的弱堿環(huán)境下形成的產(chǎn)物[40]。綠泥石比伊利石更容易發(fā)生水解反應(yīng)，它是由硅、鎂、鐵、鋁等陽(yáng)離子的硅酸鹽或變質(zhì)巖在堿性、淋濾作用不強(qiáng)條件下形成的礦物；在13m處綠泥石消失可能與當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境有關(guān)，不適宜綠泥石的產(chǎn)生。根據(jù)主要粘土礦物可知當(dāng)時(shí)南陽(yáng)盆地的成土環(huán)境為堿性還原環(huán)境，而成土母質(zhì)主要來(lái)自第四系沖洪積、洪積物，堿性環(huán)境不適宜高嶺石的形成，而堿性環(huán)境有利于蒙脫石形成，但成土母質(zhì)不適宜蒙脫石的形成。

3.3 孢粉分析結(jié)果

本次研究共統(tǒng)計(jì)陸生植物花粉917粒，平均每個(gè)樣品92粒，孢粉總濃度平均每個(gè)樣品為3粒/g，共發(fā)現(xiàn)并鑒定了54個(gè)科屬的植物花粉。其中包括20個(gè)科屬的木本植物花粉，27個(gè)科屬的草本植物花粉，5個(gè)科屬的蕨類(lèi)孢子，2個(gè)科屬的藻類(lèi)。

根據(jù)鏡下孢粉鑒定統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，按照植物氣候類(lèi)型代表性特征選取孢粉總濃度、孢粉總數(shù)、木本植物、草本植物、蕨類(lèi)孢子、松屬、樺屬、鵝耳櫪屬、落葉櫟屬、山毛櫸屬、榆屬、禾本科、藜科、蒿屬、紫苑屬、十字花科、豆科、香蒲、莎草科、中華卷柏、鐵線蕨屬22個(gè)主要數(shù)量指標(biāo)，運(yùn)用孢粉專(zhuān)業(yè)作圖軟件Tilia作出孢粉百分比含量圖式。根據(jù)聚類(lèi)分析Coniss所得結(jié)果，將本鉆孔17m以上沉積劃分為2個(gè)孢粉組合帶，自下而上各孢粉組合帶特征分析如下(如圖7所示)：

圖7 孢粉百分比圖

(1)孢粉帶I(17～8.5m)：

本帶5個(gè)樣品(D01-6-D01-10)，全部達(dá)到孢粉統(tǒng)計(jì)量(≥50粒)，孢粉總濃度為4粒/g，孢粉組合中草本植物花粉(55%～70.1%，平均63.76%)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是木本植物花粉(19%～35.4%，平均26.86%)，蕨類(lèi)孢子(2.14%～11.11%，平均5.6%)含量較低。草本植物花粉中以蒿屬(38.38%)居多，還有少量的藜科(8.94%)、禾本科(8.68%)、十字花科(1.87%)和紫菀屬(1.42%)等；木本植物花粉中松屬(18.66%)稍多，還可見(jiàn)落葉櫟屬(3.72%)、鵝耳櫪屬和樺屬等；蕨類(lèi)孢子中有中華卷柏(2.99%)、鐵線蕨屬(1.21%)和鱗蓋蕨屬(1.04%)等。由孢粉組合帶特征分析，該階段植被類(lèi)型為疏林草原，氣候溫和偏干。

(2)孢粉帶II(6～1m)：

本帶5個(gè)樣品(D01-1-D01-5)，3個(gè)樣品未達(dá)到孢粉統(tǒng)計(jì)量，孢粉總濃度為1粒/g，隨著草本植物花粉(67.2%～85.7%，平均76.74%)含量的上升，木本植物花粉(11.4%～31.2%，平均18.02%)減少，蕨類(lèi)孢子進(jìn)展0-5.9%，平均2.08%。草本植物花粉中以蒿屬(44.3%)和藜科(20.76%)為主，還可見(jiàn)少量的禾本科(5.56%)、豆科(0.94%)、莎草科和香蒲等；木本植物花粉中主要有松屬(8.76%)、榆屬(2.62%)、鵝耳櫪屬(1.68%)、山毛櫸屬(1.58%)、落葉櫟屬(1.42%)和樺屬(1.02%)等；蕨類(lèi)孢子中僅見(jiàn)零星的中華卷柏和鱗蓋蕨等。該階段孢粉濃度降低，草本植物耐寒成分篙屬和藜科比例上升，并且含量增高，因此，根據(jù)孢粉組合帶特征分析當(dāng)時(shí)的植被類(lèi)型為針闊混交林-草原，氣候溫涼干燥。

4 討論

4.1 南陽(yáng)盆地膨脹土成因分析

南陽(yáng)盆地在隆起和凹陷區(qū)域均有膨脹土的分布，但成因類(lèi)型有差異。南陽(yáng)盆地膨脹土主要在新近系與第四紀(jì)更新世形成，這個(gè)時(shí)期的南陽(yáng)盆地在燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造活動(dòng)下處于上升和剝蝕的環(huán)境中，構(gòu)造斷裂顯著，物源豐富，形成了氧化-還原的沉積環(huán)境，地表廣泛分布著沖洪積、沖積、洪積和河湖相沉積類(lèi)型的膨脹土，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是形成盆地膨脹土的主要因素之一。研究區(qū)社旗縣位于南陽(yáng)盆地東北地帶，處在盆地邊緣。根據(jù)地層信息可知，該區(qū)域發(fā)育了大量粉質(zhì)粘土、粘土、砂質(zhì)粘土和粗砂等，其顏色一般為棕黃色、棕紅色、褐色；粘土中夾雜著直徑約為1～6cm的鈣質(zhì)結(jié)核，并沒(méi)有出現(xiàn)鐵錳質(zhì)結(jié)核，表現(xiàn)出沉積膨脹土屬于第四紀(jì)時(shí)代產(chǎn)物。由于受鉆孔深度和試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少，本次僅對(duì)分布在地表或淺部且對(duì)工程危害較大的第四紀(jì)中、上更新統(tǒng)地層進(jìn)行分析。根據(jù)地層沉積環(huán)境，以及前述的土層自由膨脹率結(jié)果、礦物成分及孢粉特征等，研究區(qū)第四紀(jì)中更新統(tǒng)膨脹土主要以中膨脹性為主，局部為強(qiáng)膨脹，由沖洪積作用形成；而上更新統(tǒng)膨脹土主要為中膨脹性，由沖積、湖積作用形成，見(jiàn)表3。

表3 南陽(yáng)盆地膨脹土的成因類(lèi)型

4.2 粘土礦物成因與古氣候關(guān)系

研究區(qū)膨脹土顏色變化明顯，棕黃、灰黃、棕色、褐色、褐黃、灰黃、棕黃、棕紅、棕黃、灰黃，剖面垂直變化顯著；粘土礦物在剖面垂向方向產(chǎn)生的差異主要受區(qū)域氣候環(huán)境影響，研究區(qū)粘土礦物以含有較多的伊/蒙混層、伊利石和綠泥石為特征來(lái)展開(kāi)分析。由孢粉帶來(lái)看，兩帶屬于從溫和偏干到溫涼干燥的氣候轉(zhuǎn)換過(guò)程，而伊/蒙混層的產(chǎn)生主要是受控氣候變化的影響，從剖面中富含大量不同含量的伊/蒙混層可以印證這一點(diǎn)；伊/蒙混層在6m處礦物含量最大，可能是剖面沉積物中伊利石、綠泥石的含量相對(duì)減少所致。而剖面中伊利石并沒(méi)有向蒙脫石、高嶺石轉(zhuǎn)化，說(shuō)明該階段淋濾作用較弱，氣候環(huán)境適合伊利石的保存，由孢粉帶證明了這一點(diǎn)。綠泥石的產(chǎn)生表明當(dāng)時(shí)干旱的氣候環(huán)境，與孢粉帶Ⅱ結(jié)果一致，但在孢粉帶I處綠泥石消失，主要?dú)夂颦h(huán)境溫和偏干，不適宜綠泥石的形成。

南陽(yáng)盆地膨脹土遭受了不同程度的后期風(fēng)化改造。但從鉆孔剖面上看富含大量的鈣質(zhì)結(jié)核也可為研究提供信息。鈣質(zhì)結(jié)核形成于干旱半干旱構(gòu)造環(huán)境，其富含大量鹽酸鹽礦物，同時(shí)也反映出風(fēng)化環(huán)境由弱酸性向弱堿性，干旱、半干旱轉(zhuǎn)變的氣候條件。

綜上可知，南陽(yáng)盆地粘土礦物種類(lèi)及含量變化受控的影響因素不同，從整體礦物含量與孢粉記錄結(jié)果來(lái)看，礦物含量不均勻，并出現(xiàn)極大小值，除了受控氣候環(huán)境外，還受到其它粘土礦物含量及碎屑物含量變化的影響，使粘土礦物含量發(fā)生變化。因此，研究南陽(yáng)盆地膨脹土成因、形成時(shí)代、古氣候意義，對(duì)認(rèn)識(shí)和了解地質(zhì)時(shí)期，尤其是第四紀(jì)盆地構(gòu)造演化特征與氣候變化是十分有意義的。

5 結(jié)論

(1)南陽(yáng)盆地膨脹土主要分布于盆地邊緣山麓丘陵、山前平原與盆地內(nèi)壟崗、河谷的Ⅱ級(jí)階地。

(2)研究區(qū)膨脹土成因類(lèi)型主要有沖積、沖洪積、河湖相沉積，每種成因類(lèi)型均有不同特點(diǎn)，其膨脹潛勢(shì)主要以中膨脹潛勢(shì)為主，平均80.2%，局部為強(qiáng)膨脹性；隨土層深度的增加，自由膨脹率呈非線性變化。

(3)南陽(yáng)盆地膨脹土堆積時(shí)期，古氣候出現(xiàn)了溫和偏干、溫涼干燥的氣候轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的粘土礦物組成為：伊/蒙混層為主體礦物，其次為伊利石和綠泥石；粘土礦物含量隨土層深度的增加呈非線性關(guān)系，無(wú)明顯變化規(guī)律，表明粘土礦物含量對(duì)氣候環(huán)境敏感，易受到其它粘土礦物和碎屑物含量變化的影響，且粘土礦物與氣候之間可以相互指示。

(4)由于膨脹土造成一系列危害(房屋裂縫、路基裂縫、淺層滑坡等)，研究該區(qū)域膨脹土成因有助于對(duì)膨脹土更深刻地認(rèn)識(shí)，對(duì)膨脹土危害進(jìn)行有效預(yù)測(cè)與防治，減少危害發(fā)生。