威宁岔河P—T界线粘土岩的成因及对地基工程的影响

杜昊昴

摘 要：贵州地区在二叠-三叠纪转折时期，位于康滇古陆的东缘，贵州上二叠统至下三叠统碳酸盐岩，硅质岩，碎屑岩等地层中普遍发育粘土岩，其中尤以P-T界线附近的粘土岩更引人关注[1，2，3]。文章以贵州威宁岔河剖面P-T界线附近粘土岩为研究对象，采取扫描电子显微分析（SEM）手段，对其中的碎屑物质进行了初步研究，试图从探讨粘土岩成因这一角度揭示其地质学意义及对地基工程的影响。

关键词：粘土岩；扫描电镜；碎屑物质；火山作用；地基工程

中图分类号：P642.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0041-03

Abstract： During the transition of Permian to Triassic periods， the Guizhou area is located in the eastern margin of the Kang-Dian ancient land. Clay rocks are commonly developed in the upper Permian to Lower Triassic carbonate rocks， siliceous rocks and clastic rocks in Guizhou. The clay rocks near the P-T boundary are of particular concern[1，2，3]. In this paper， the clastic materials in the clay rocks near the P-T boundary of the profile of Chahe River in Weining， Guizhou， were studied by means of scanning electron microscopy （SEM）. This paper attempts to reveal the geological significance of clay rock and its influence on foundation engineering from the point of view of discussing the genesis of clay rock.

Keywords： clay rock； scanning electron microscope （SEM）； clastic material； volcanism； foundation engineering

1 实验方法

采用反复淘洗的方法使碎屑物质与粘土矿物分离开来，并将碎屑物质置于双目镜下进行观察分析，挑选出表面干净形态完好的部分，利用地质过程与矿产资源国家重点實验室内扫描电子显微镜进行观察照相以及形态分析并确定所含矿物种类，采用JSM-35CF型扫描电镜，测试条件为工作电流2×10-11A，加速电压25kV。

2 碎屑物质种类

六方双锥石英：在样品CH-68、CH-66中均发现了大量六方双锥石英（如图1），而在CH-1、CH-2中发现的六方双锥石英含量较少，CH-4中基本没有发现。可将这些六方双锥石英分为两个类型，一种是晶形完好棱角明显的（图1B），这种数量较少；另一种是晶形不是十分完好棱角有磨圆且表面有被磨蚀的痕迹的（图片1A、C），这种数量较多。其成分为SiO2，无色透明，颗粒大小在150μm左右。

磷灰石：在CH-68、CH-66、CH-1和CH-2中均发现晶体形态较好的磷灰石（如图2），其棱角分明且基本无磨圆，绝大多数成长柱状也有极少数为短柱状，长度100μm-400μm不等，无色透明。

锆石：在CH-68，CH-66，CH-1，CH-2，CH-3中均发现了大量锆石（如图3），这些锆石大多晶形完好成短柱状，为无色透明，少数有磨蚀现象，颗粒大小在50μm-200μm不等。

在CH-68，CH-66，CH-1，CH-2层位中的碎屑物质主要为六方双锥石英、磷灰石和锆石；CH-3层位含六方双锥石英和锆石，无磷灰石；CH-4层位只含磷灰石，无六方双锥石英和锆石。且在岔河剖面各层位样品碎屑物质中都没有发现微球粒。

3 来源及成因分析

除CH-4外的粘土岩中都含有六方双锥石英，它是β-石英在高温条件（573-870摄氏度）下形成六方双锥形态后在缓慢冷却的条件下转变为α-石英，但是仍然保留着保留原来晶形的假象，然而在快速冷却的条件下β-石英的双锥晶形和晶体的内部结构均可以得到很好的保持，也就是说β-石英与α-石英是同质多像的关系。因此，六方双锥石英的出现暗示了当时出现的高温条件，同时，一些六方双锥石英表面出现的磨蚀痕迹很可能是火山喷发后火山灰颗粒相互碰撞的结果，这也是当时存在剧烈火山活动的良好佐证。

事实上，磷灰石在三大岩中均可产生，但一般认为它是酸性岩浆中的副矿物。通常情况下，沉积岩中形成的磷灰石会被染成深色，但在岔河剖面粘土岩中发现的磷灰石均为无色透明，而且晶形完好，故推测是由火山喷发形成的。同样情况，晶形完好无搬运磨圆的锆石一般也被认为是酸性岩浆中的副矿物，它的大量存在也被看作是火山喷发所致。

那么这些六方双锥石英是否可能来自地外呢？从晶形的角度看，六方双锥石英明显区别于高压石英（即斯石英和柯石英），斯石英属于四方晶系而柯石英属于单斜晶系。斯石英和柯石英在世界上的首次被发现都是位于美国俄亥俄州和亚利桑那州的陨石坑中，都是在地外物体高速撞击地球瞬间产生的巨大压力和温度条件下形成的[4]。综上可知，六方双锥石英的出现只与地内事件即火山活动有关，与地外事件并无关系。

另外，地外事件和地内事件均可形成球粒，虽然只是成分上有区别，但是经过仔细的观察和寻找，在这些碎屑物质中都没有发现非晶质的球粒，故推测是火山灰首先降落在陆地上，由于降温速度缓慢而全部结晶形成了六方双锥石英，这也就基本排除了地外事件的可能。因此，这些无球粒的粘土层全部是由地内事件，即火山作用形成的。

4 对地基工程的影响

由火山作用形成的粘土岩具有以下几个特性[5，6]：（1）

难破碎、难失水、难压实；（2）易干缩并形成大量裂隙；（3）易膨胀且收缩强烈。由于其性质随外界环境变化较大，因此对地基工程有很大的危害[7]。首先，粘土岩难破碎、难失水和难压实的特性对建筑工程的地基安全存在潜在的不利因素和危险性；其次，粘土岩的膨胀性导致机场工程的道面板结构断裂进而破坏跑道的安全；最常见的是在公路工程中，这些不良特性将导致路基压实性降低，严重的会出现结构裂缝，影响路基的整体强度及稳定性，容易引起地基的不均匀沉降。

5 结束语

本次研究主要发现：岔河剖面P-T界线附近粘土岩碎屑物质中的六方双锥石英、磷灰石、锆石等都与高温酸性岩浆有关，而部分碎屑物质表面的磨蚀痕迹可能与火山灰喷发造成小颗粒间相互碰撞有关，基本证实了该粘土岩的火山成因，进而联系到对地基工程的影响，尤其是对建筑工程、机场工程以及公路工程的危害。

参考文献：

[1]殷鸿福，黄思骥，张克信.华南二叠纪-三叠纪之交的火山活动及其对生物绝灭的影响[J].地质学报，1989，62（2）：169-181.

[2]Sepkoski Jr J J. Biodiversity： past， present， and future[J]. Journal of Paleontology， 1997， 71（4）： 533-539.

[3]楊遵义，吴顺宝，殷鸿福，等.华南二叠-三叠纪过渡期地质事件[M].北京：地质出版社，1991.

[4]He， J.W.， Chai， Z.F.， Ma， S.L.， 1989.Discovery of paramorph of high-quartz in the stratotype section of the Permian-Triassic boundary at Meishan of Changxing， Zhejiang， and its significance[J]. Chin. Sci. Bull. 34， 474-477.

[5]谢明宇，郑甲佳，吴立坚.贵州黔东南红粘土路基填筑技术研究[J].公路交通科技，2013，103（7）：91-93.

[6]陶文平，刘朝晖，刘龙武.南方红粘土公路路基设计与修筑技术研究[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[7]易剑波.高速公路红粘土路基填筑施工与改良方法研究[J].公路工程，2012，37（5）：141-143.