红色风化壳微结构特征

目前，关于土体微观结构的名词术语繁多，分类混乱，这可能是由于土的类型多、成因复杂多样造成的。然而，如果人们缺乏对土体结构-成因的深入研究，片面追求名词术语的新颖，把不同成因土的特定的结构名词、术语拿来相互混用，那么势必要造成混乱。因此，当前首要的任务应该是深入进行各类土的结构-成因研究，以解决工程实践问题为准则，不一定强求非必须有“统一”的结构分类方案不可。

1.颗粒组成和形态

恰当和确切地描述红色风化壳的颗粒是比较困难的，因为在不同放大倍数（×100～20000）SEM视域内，土都是由大大小小不同颗粒状物质（并非自形晶的片状晶体）组成的。但是，为了论述方便，参考土粒组的划分，可进行如下的分类；把小于1μm的极细粘粒称为基质；1～2μm称为细粘粒；2～5μm的称为粗粘粒；5～10μm以及少数大于10μm的称为细粉粒级斑晶。

图2-4 图版Ⅱ-12中三水铝石的EDAX谱线图

颗粒：指大于1μm的颗粒及细小斑晶。它们大多都具有非常明显的边界和轮廓，绝大多数呈他形，所以很难据形态来确定其矿物成分；少数为自形，如曲边状及束状的伊利石、长条形的板钛矿和具六角形断面的高岭石、具很好几何形态的水铝英石等。它们绝大多数为溶蚀交代白云石、方解石等粒状矿物而形成的交代变晶矿物，少数为孔隙中淀积形成的自形晶矿物。借助于微区EDAX分析证明，它们多半是单矿物，如絮状的多水高岭石及粒状的高岭石（K）、伊利石（I）、绿泥石（Ch）、次生石英（Q）、板钛矿（Ti）、水铝英石（G），少量方解石（C）、白云石（D）以及赤铁矿、针铁矿等铁矿物（Fe），在视域内还可看见少数交代尚不完全的或正在互相转化的矿物，如伊利石交代方解石（I→C），白云石变为高岭石（D→K），高岭石交代方解石（K→C）以及高岭石转变为三水铝石的情况（K→G）等。另外，研究还表明，有些单矿物晶体的表面，往往附着其他更细小粘土矿物，以致在原状土样的SEM观察中，发现不了这些晶体，例如：对安顺白云岩红色风化壳表层土Pnl-1号样进行了加入分散剂后的沉淀物的分析，经过这种处理其干燥样在SEM下观察，可见到晶形完好的三水铝石（图版Ⅲ-5，图2-4）。

基质：由小于1μm的极微小的颗粒组成，呈粒状、片状。它们或是杂乱地充填于颗粒之间，或是整个样品由基质组成，构成致密基质结构或基质斑状结构（图版Ⅲ-6、图版Ⅲ-7），当土体裂隙之间充填这些细腻基质时，则可见矿物小片呈定向排列的情况。

2.结构连接

红色风化壳的结构连接以粘土基质胶结（简称粘基胶结，图版Ⅲ-6）以及接触胶结为主，少数样为粘基及铁质共同胶结，接触不紧密，靠吸附水膜黏聚力连接起来。用比重计法进行颗粒分析，未加入分散剂的样品，虽经浸泡、研磨和煮沸，但80%～90%的粒径均大于0.01mm，主要属粗粉粒土，说明这些粗粉粒土是水稳性的，但加入六偏磷酸钠分散剂后，50%～55%左右的颗粒变为粘粒级，而且细粘粒占35%～45%，说明红色风化壳土体在自然状态下，仍是以粒团方式存在，分散剂中的高浓度低价钠阳离子，交换了水膜中吸附的高价阳离子，使水膜加厚，因而破坏了粒团的结构连接而使其分散。这一现象说明粒团中粘粒的连接仍是以水膜连接为主。另外，专门取了两种粘土团块进行了SEM及EDAX分析，目的是查明铁质胶结在粒团所起的作用，一类是靠近石灰岩表面附近的被黑色铁、锰质胶结的团块，它们的颗粒和基质与同类土相同，粒间的铁、锰质氧化物或氢氧化物呈蜂巢状连接非常显著（图版Ⅳ-1）；另一类是白云岩红色风化壳土体中砖红色铁质胶结团块，粒内、粒间孔隙中球状及葡萄状赤铁矿的胶结非常明显（图版Ⅳ-2），粒间孔隙发育。由此可见，粒团内粘粒的胶结仍是以水膜连接为主的，只是在铁锰质粘土团块中才以铁、锰质胶结。

3.孔隙特征

采用2010型压汞仪对遵义剖面土的孔隙进行了测定，结果见图2-5、表2-2。为说明问题，把土的孔隙分为大孔（＞3.7μm）、中孔（3.7～0.37μm）、小孔（0.37～0.037μm）和微孔（＜0.037μm）4 类。图表说明，土中孔隙以微孔隙为主，占50%以上，而且孔隙中值也全部落在微孔区间。ZZ 9 号样靠近地表，由于受到卸荷作用等影响，孔隙总体积（141.76mm3/g），明显大于其他3 个样品，随样品埋藏深度的增加，孔隙总体积数值依次增大，与土的含水量及土状态随深度的变化规律相符合。土中微孔和小孔占主要，说明以粒团内孔隙为主。

表2-2 遵义石灰岩红色风化壳各类孔隙百分含量统计表（%）

图2-5 遵义石灰岩红色风化壳土体孔隙特征曲线图

4.结构类型

近十多年来，作者利用扫描电镜（SEM，KYKY-1000型）及其辅助手段——X射线能谱（EDAX，美国TN-5400型）对碳酸盐岩红色风化壳样品进行了大量的观察和分析，总共机时在数百小时以上，重点拍摄的SEM照片及其EDAX分析谱线也都在几百件以上。研究样品取自以石灰岩（贵州遵义，SEM照片上编号ZZ）和白云岩（贵州安顺，SEM照片上编号PN）为母岩的典型碳酸盐岩红色风化壳剖面，取样间距一般为1.5～2m或更密。

根据大量的SEM照片及EDAX谱线，初步划分了贵州安顺及遵义两地碳酸盐岩红色风化壳的微结构类型。由于篇幅所限，每种结构类型只引用了少量的SEM照片及EDAX谱线。需要说明的是，SEM的观察是大量的，而拍摄照片的仅仅是其中的一部分；EDAX能谱分析也是大量的，而打印出结果的也仅仅是其中的一部分。EDAX能谱既能对所拍照片的全部视域进行“全域分析”，也能对某一特定矿物局部视域进行“微区分析”。把进行过微区分析的部位都标以特定的矿物名称符号，如K代表高岭石或多水高岭石、I代表伊利石、Q代表石英、Fe代表含铁矿物、Mn代表含锰的矿物等。EDAX图谱只能给出某种矿物元素含量，在确定矿物名称时，除了考虑矿物的形态外，还参考了该样品的矿物X射线粉晶分析、红外光谱分析及差热分析资料等。

（1）叠片状结构（图版Ⅳ-3）

叠片主要由长条形的埃洛石（长度为1μm左右，厚度

图2-6 图版Ⅳ-3呈叠片状结构的埃洛石EDAX能谱

图2-7 图版Ⅳ-3高岭石全域DEAX能谱

（2）絮状结构（图版Ⅳ-4）

由极细小高岭石碎片堆叠成立体的不规则云朵状和絮状体（>5～10μm）组成，细心观察可发现±1μm的多边形高岭石晶体片，絮间有大小不一的，由

图2-8 图版Ⅳ-4中絮状高岭石EDAX能谱

图2-9 图版Ⅳ-4絮间孔隙铁质氧化物及碎片高岭石EDAX能谱

（3）粒斑状结构（图版Ⅳ-5）

斑状矿物主要为伊利石及多棱角次生石英等，斑状矿物之间为粒状的铁矿物（图2-10）。

图2-10 图版Ⅳ-5中斑状矿物之间铁矿物的EDAX能谱

（4）不规则斑块状结构（图版Ⅴ-1、图版Ⅴ-2）

不规则的斑块主要由伊利石（图2-11）组成，斑块间为不规则的孔隙，斑块5～10μm大小。把该照片与石灰岩的SEM照片（图版Ⅴ-2、图2-12）相比较，可见两者结构上何其相似，说明伊利石交代基岩中方解石的现象是形成该结构的基础。

图2-11 图版Ⅴ-2伊利石EDAX能谱

图2-12 图版Ⅴ-2中方解石EDAX能谱

（5）球粒状结构（图版Ⅴ-3、图版Ⅴ-4）

球粒状结构主要由毛粟状赤铁矿（图2-13）和球粒状针铁矿集合体组成（图2-14）。

图2-13 图版Ⅴ-3中毛粟状赤铁矿EDAX能谱

图2-14 图版Ⅴ-4中球粒状针铁矿集合体的EDAX能谱

（6）曲边-鳞片状结构（图版Ⅴ-5、图版Ⅴ-6）

为砖红色平行条纹状粘土的平行于条纹方向扫描的照片（图版Ⅴ-5），可见伊利石（图2-15）形成的典型的曲边-鳞片状结构。图版Ⅴ-6仍然为由伊利石形成的曲边-鳞片状结构（图2-16），与图版Ⅴ-5不同的是有一些矿物被伊利石交代形成粒状矿物，故能谱中钾的含量较高（图2-16）。

方解石和白云石同属三方晶系，其化学成分是二价金属阳离子和碳酸根相结合的盐类。碳酸盐广泛分布于地壳中，已知的碳酸盐矿物约95种，以方解石和白云石最常见，对它们的研究也最深入。现主要对方解石的变形行为简述如下：

方解石单晶常发育{1011}三组完全解理。方解石集合体形态有片（板）状、纤维状、晶族状、致密块状（石灰岩）、粒状（大理岩）、钟乳状、结核状等。白云石对称型比方解石低，而有序度则较高。晶体常呈菱面体，晶面常弯曲成马鞍形，也具有{10

40511}三组完全解理，且解理面常弯曲。集合体呈粒状、致密块状等。

方解石很容易出现机械双晶（照片3-055～3-058）。Ferrill等（1991，2005）、Burkhard（1993）认为方解石机械双晶由窄变宽与温度有关（详见第六章）。在缩短量大约小于15%的情况下，以双晶密度与双晶宽度为坐标的平面直角坐标图能够指示岩石变形温度和压力信息，从而成为一个低温环境下不很准确，但是简便易用的地质温度计（Ferrill et al.，2004；Craddock et al.，2007）。

方解石中因为双晶滑移有一定指向（正），而当应力作用方向不利于发生双晶化或者温度较高时，方解石会产生平移滑移。方解石最主要的平移滑移是r和f滑移。低温时为{f}<r∩f〉（六组），温度较高时为{f}<a∩f〉（三组）（Passchier and Trouw，2005）；高温时则主要是沿c<a〉的滑移（Barnhoom et al.，2004）。

方解石是一种较易发生塑性流动的矿物，因而常见碳酸盐岩类糜棱岩。其中，大理岩糜棱岩发育典型的糜棱结构（照片5-027～030），而灰岩糜棱岩则表现为隐晶质方解石的再结晶长大（照片5-031）。在低温条件下，大理岩中方解石主要表现为碎裂及碎裂流动，同时还伴随有溶解迁移及双晶化；粗颗粒中发育机械双晶及波状消光。在细粒基质中，还伴随有位错滑移及膨凸重结晶作用（Kennedy and Logan，1998；照片3-073，5-027～5-030）；温度增高时膨凸重结晶作用增强。在中温及含水（流体）条件下，方解石中压溶起主要作用，并形成压溶缝合线（照片3-198）。水的加入极大地促进位错滑移与攀移速率，并加速变形岩石的恢复作用，导致晶质塑性过程的出现（Liu et al.，2002）。亚晶粒旋转重结晶在一定温度范围内出现，如Bestmann等（2000）报道的方解石亚晶粒旋转重结晶发生在300～350℃的绿片岩相条件下。颗粒边界迁移及超塑性流动容易发生在方解石细粒集合体中（Passchier and Trouw，2005）。

方解石糜棱岩中常出现含量不等的第二相物质（如云母、白云石、石英、有机质、金属矿物等）。它们影响了由方解石组成的岩石的显微组构、变形行为和光学特征（Busch et al.，1995；Herwegh et al.，2002，2004）。分散均匀的第二相物质阻碍方解石的恢复和重结晶作用（照片5-032），因而在相同环境下，纯的矿物集合体更容易发生重结晶作用。阻碍力与第二相物质的体积分数呈正相关，与其大小呈负相关，还与其空间分布状态密切相关。同时，第二相物质还能够成为成核点进而推进重结晶作用（尤其是刺激成核作用）。Ebert et al.（2007）报道第二相物质含量增加时，方解石结晶优选定向减弱。

白云石的变形行为与方解石不同（Passchier and Trouw，2005）。在中高温条件下发育f{02

41521}双晶，在中低温条件下主要沿底面c<a〉滑移，而在低温下（温度小于300℃）不出现双晶。低温时，白云石在方解石集合体中常常容易形成布丁构造和书斜式构造（照片3-023）。

Ca[CO3］

三方晶系

No=1.658

Ne=1.486

(－)No-Ne=0.172

图3-20 方解石光性方位和双晶纹方向

化学组成 经常含有Mg,Fe,Mn和Zn, Pb,Sr,Ba等。

结晶特点 方解石通常呈菱面体，也有复三方偏三角面体或者更复杂的形状。在岩石中常为不规则粒状（照片100），有时呈鲕状、钟乳状、土状或球粒放射状集合体（照片101），薄片中很少见方解石的自形晶，多为粒状。沿主要菱面体 具完全解理，薄片中往往见两组似角闪石的斜交菱形解理，但其夹角为750（照片102）（角闪石为55°或560）。此外，还可见 的裂理。

光性特征 无色透明（称冰洲石）或白色，含有各种杂质时可呈各种颜色，薄片中无色。因双折射率很大，No为正中突起，Ne为负低突起，闪突起显著。干涉色为高级白（照片100, 102），一轴晶负光性，色散强。聚片双晶常见，双晶面为（0112），其双晶带多与菱形解理长对角线平行或近平行（照片102，图3-20）。（0001）的接触双晶也常见。

变化 方解石能缓慢地溶于地表水中，形成重碳酸钙，在适合条件下可形成钟乳石、石笋等。在风化壳中，方解石可被石膏、胶体SiO2、白云石、孔雀石、菱锌矿交代。在高温低压变质作用下：

鉴别特征 薄片中根据方解石无色透明、菱形解理、闪突起显著、干涉色为高级白、一轴晶负光性等特征，可与非碳酸盐的矿物区别开。方解石与其他碳酸盐矿物在薄片中的区别特点是：方解石的折射率比其他碳酸盐矿物低，方解石和菱镁矿的Ne<1.54，即当Ne平行下偏光时为负突起，而菱铁矿No、Ne都为正突起。当晶粒具有聚片双晶时，（特别是变质岩中的方解石）沿｛1010｝的双晶纹平行菱形解理的长对角线（照片102）；而白云石的双晶纹多是沿｛0221｝，且平行菱形解理的短对角线（照片108）；在薄片中选择具有双晶的晶粒，闪突起明显，双晶纹清晰（直立或接近直立）者，测量Ne＇（低突起方向）与双晶纹之间的消光角，方解石的消光角大于55°，而白云石的消光角通常是在20°～40°之间；如果晶粒具有二组双晶，方解石的Ne＇在二组双晶纹的钝角中，而白云石的Ne＇在锐角中；方解石、白云石同在一岩石中时，后者一般自形（照片106）。在单偏光镜下转物台使矿物处于低突起的位置，并在正交偏光间为消光位时，此时下偏光振动方向为方解石、白云石的Ne＇方向。对于岩石标本或有时在无盖玻璃的薄片中，鉴别方解石、菱镁矿、白云石以及其他碳酸盐矿物时，应当采用综合方法鉴定，如染色法、密度测量、溶蚀反应及其他化学方法等。中。在沉积岩中它是石灰岩、白云岩的主要组分，鲕状灰岩的鲕粒由方解石组成。白云岩的空洞、裂隙中也常见呈放射簇状和环带状的方解石。Ca CO3在外生条件下，经历Ca CO3（凝胶）—球状方解石—文石—方解石的转变过程，而方解石最稳定，常与文石共生或呈其假象。球状方解石一般是腹足类及其他软体动物贝壳的最初产物，后转变为方解石、文石。在变质岩中方解石是大理岩的主要成分之一，也是一些钙质片岩、片麻岩的组成矿物之一。碱性岩浆的分异可形成以方解石为主要成分的碳酸岩体。在某些超镁铁质岩中有时也可见方解石作为原生矿物产出。作为热液产物，方解石产于火山岩晶洞中，以及某些交代岩中，或者作为各种含钙质矿物的蚀变产物，方解石交代长石（照片161,190）、黑云母（照片265）、角闪石（照片365）、辉石（照片483,484）而成为它们的假象，在岩石杏仁体中方解石和沸石共生。无色透明的冰洲石是重要的光学材料。石灰岩、大理岩主要用于建筑材料，水泥工业，化工业等。不同成因的方解石，在12C/13C比值上有所不同，因此根据其比值可推断矿物的生成条件。

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