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）。

淀积成土作用系指岩溶水，包括岩溶环境中地表水、地下水、土中水溶液，携带溶解物质在碳酸盐岩风化前锋溶滤层的空隙中，甚至可以是溶蚀洞穴等空间，生成新物质的作用，这是岩石风化成土过程中，易迁移的组分如K、Na、Ca、Mg等被带走、迁移；迁移能力弱的组分如Al、Si、Fe等沉淀聚积，形成风化壳的过程。淀积作用也包含部分残积作用，是风化壳形成的基本方式之一。碳酸盐岩风化产物中的溶解物质呈胶体溶液或真溶液形式搬运。铝、铁、锰、硅的氧化物溶解度低，常呈胶体溶液搬运。胶体溶液是一种介于粗分散（悬浮液）和离子分散系（真溶液）之间的一种溶液。胶体粒子的直径很小（1～100nm），并常带电荷。根据胶体粒子所带电荷的不同，可把胶体分为正胶体和负胶体。氢氧化铁及Al2O3、Fe2O3的水合物（Al2O3·nH2O、Fe2O3·nH2O）等是正胶体；SiO2、MnO2、有机酸等是负胶体。带正电荷胶体与带负电荷胶体相互作用，电性中和，彼此凝聚，产生SiO2、Al2O3和Fe2O3的凝胶混合物。由于沉淀时凝胶SiO2和Al2O3的比例变动范围很大，在风化壳中形成各种层状含水硅酸盐矿物，如高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）、多水高岭石（Al2O3·2SiO2·nH2O）、微晶高岭石（Al2O3·4SiO2·nH2O）和伊利石等。当Fe（OH）3正溶胶和SiO2负溶胶相遇则形成含胶体SiO2的褐铁矿，富集时可构成风化壳的铁质结核带或铁壳。因此，淀积作用实质上是风化成土过程中胶体溶液的相互作用。

岩石风化成土过程中胶体溶液的相互作用形成矿物组合具有结核状、葡萄状、肾状、皮壳状等胶状或变胶状等结构、构造特征。碳酸盐岩红色风化壳中普遍存在结核状、葡萄状、肾状、皮壳状等胶状或变胶状结构构造，说明淀积作用是十分重要和常见的碳酸盐岩风化成土作用。碳酸盐岩风化成土过程中造成胶体溶液沉淀的原因主要有：

1）两种带相反电荷的胶体相遇时，由于电荷被中和而发生胶体的凝聚和沉淀，许多风化壳中的粘土矿物的淀积就是带正电荷的Al2O3胶体与带负电荷的SiO2胶体相遇凝聚而成的：

碳酸盐岩风化成土作用及其环境效应

2）胶体溶液的浓度增大，也可促进胶体凝聚，如胶体溶液的蒸发增大了胶体的浓度引起胶体凝聚。

3）介质pH值的变化对胶体的搬运和沉淀有着很大的影响，尤其是对两性胶体如Al（OH）3、Fe（OH）3 的影响最大。改变溶液的pH值可以改变溶液中离子或的浓度，从而改变粒子所带电荷的多少及扩散层厚度。溶液的pH值与两性胶体的等电pH值（使两性胶体呈现为中性不带电荷时的pH值）相差愈大，胶体的电动电位愈大，扩散层愈厚，故不易聚沉；溶液的pH值与两性胶体的等电pH值相差愈小，其电动电位愈小，扩散层愈薄，愈易聚沉。Al（OH）3 的两性胶体的等电 pH为 8.1，Fe（OH）3两性胶体的等电pH值为7.1，天然水的pH值近于7.0，所以有大量上述两性胶体的粘土矿物淀积（陈正等，1985）。

陈履安等（2000）在研究贵州老万场红土型金矿成因时提出，该矿的矿源体为赋存于碳酸盐岩层的卡林型金矿，下二叠统大厂高岭石化硅质粘土岩及凝灰岩等是富金地质体。金的搬运介质是岩溶地下水，在黄铁矿、毒砂、CO2、腐殖酸等复杂的水化学场的条件下，金被地下水迁移、最终在风化壳的红土中淀积下来。杨雅秀等（1994）认为，分布于四川叙永到贵州习水一带的“叙永式”高岭土矿是由上部地层（往往含黄铁矿和有机质）中的铝硅酸盐矿物，在酸性水的淋滤作用下生成硅铝溶胶，被地下水带到下部的洞穴空间和古侵蚀面凹地中结晶充填（淀积）而形成的。

作者在溶滤层及岩土界面土层的孔隙中观察到，大量由淀积作用形成的新生粘土矿物，如在白云岩砂的溶滤层中的被溶蚀成窗格状白云石晶体的孔隙边缘生成的束状及毛发状伊利石粘土矿物（图版Ⅲ-2、Ⅲ-3）。

除了交代成土作用、淀积成土作用之外，还存在着残留和充填成土作用。残留成土作用是指母岩中所含石英、锐钛矿及粘土等不溶矿物经溶滤后而残留在原地；充填成土作用是岩溶地下水或其他风化流体，携带着一定量的悬移物质、填入到溶滤层及基岩的溶洞中沉积下来。在研究遵义红色风化壳剖面时，在X射线衍射分析和扫描电镜能谱分析中，发现红色风化壳土体中有一定量的长石存在，它们既不可能是碳酸盐岩中的原生矿物，又不大可能是次生矿物，最可能的成因是溶蚀-充填作用造成的。由于遵义红色风化壳剖面位于岩溶槽谷之中，槽谷两侧山脊为侏罗系长石石英砂岩。岩溶地下水等风化流体可沿两侧山脊携带走侏罗系地层极细粒长石颗粒充填于风化壳中形成，但大量薄片的光学显微镜及样品的TEM、SEM观察，迄今为止尚未见及长石矿物，仅在XRD及EDAX分析中显示，有待进一步工作证实。

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