黄河中上游第三系红层的工程地质特性

张 媛，韩 聪，韦 娴，韦晓佳（.北方民族大学化学与化学工程学院；.北方民族大学土木工程学院，银川 7500）

黄河中上游第三系红层的工程地质特性

张 媛1，韩 聪2，韦 娴1，韦晓佳1
（1.北方民族大学化学与化学工程学院；2.北方民族大学土木工程学院，银川 750021）

黄河中上游宁东矿区部分布着厚度较大的第三系红层软岩，由于红层是地质灾害容易发生的地层，在工程上具有特殊的性质，为此介绍了第三系红层的分布情况、成因、特征、工程地质特性同时对红层地区做了工程地质评价。

黄河中上游；第三系红层；工程地质特性

第三系红层广泛分布在黄河中上游的各省、自治区，其工程地质特性复杂，红层软岩的变形特性对于工程建设的稳定性至关重要，宁东矿区局部分布着厚度较大的红层软岩，当矿井井筒穿越该层软岩时，红层软岩的力学特性与井筒的安全稳定有直接关系，基于此，本文对黄河中上游宁东矿区新第三系红层软岩的工程性质进行了研究，为进一步探寻该地区红层软岩对实际工程的影响提出一定理论依据。

1　第三系红层的分布规律及成因

1.1第三系红层的分布规律

我国的红层大多形成于中、新生代漫长的地质历史时期，沉积的时代主要是三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪。我国的第三系红层分布比较广泛，主要在西北地区大中型山间盆地、东南地区和中南地区的中小型山间盆地、东部地区大型近海盆地。第三纪红层总体面积不大，川藏交界地带、成都平原周缘、湘赣中部及其交界地带、皖苏中部及其交界地带、陕豫鄂交界地带、河北南部及东南部、西北部的青、甘、宁境内都有分布［1］。由此可以看出在黄河中上游的各省、自治区都分布着大量的第三系红层。

1.2第三系红层形成的地质背景和环境条件

在青藏高原大面积隆升的背景下，高原的东南缘发生差异性的块断活动，形成了西宁、共和、贵德、化隆等多个内陆湖盆。受喜马拉雅运动I幕的影响，这些湖盆下沉，接受湖相细粒沉积，由于当时处在气候炎热干早的氧化环境，所沉积的地层均呈砖红色、紫红色，而且蒸发强烈，所以有大量的盐份积聚［2］。受到喜马拉雅运动11幕的影，地壳进一步下沉，盆地仍然断陷，湖水水域扩大，区域内形成了青海湖。但由于地壳不稳定的运动，使得沉积的厚度无规律，沉积物多为泥岩和砂质泥岩堆积同时夹杂有石膏及芒硝等结晶，伴随着断块活动的构造挤压作用使地层在重力压密的过程中经历了构造挤压，这样成岩程度提高。第三纪末期，地壳由区域性下沉又转为区域性缓慢回升，湖水由深逐渐变浅，并且退出，气候也由炎热干燥逐渐转变为湿润多雨，地层沉积的大部分是泥岩、砂岩和砾岩河流滨湖相碎屑岩类。在喜马拉雅运动第四幕区域内差异性的升高、下降继续，导致了共和、贵德、化隆等盆地分开，湖水外泄、黄河形成、各水系沟通，内陆的湖、盆变为山间盆地［3］，在不同内外应力的综合作用下，塑造成现如今的地貌构架。

2　第三系红层的特征

2.1红层的颜色

红层的颜色是它的主要标志，它是一种偏红色的陆相碎屑堆积。由于在成岩过程中有物理化学变化，在成岩过程中沉积环境受各种环境因素变化的影响，因此红层的颜色也可能会发生一些变化［4］。在一套红色岩系中在基本的红色色调上常常夹杂有其它的色调，这成为红层的一个特色，其中有可能夹有白色、灰白甚至暗色等岩层。同时红层的颜色和色调还受到其它因素的影响，如红层岩层的含水量、砂质、胶结物成分、胶结物含量、砾石的原岩成分、砾石的含量、砾石本身的颜色等等这些因素的影响，所以不同地方的红层，它的颜色在色度和纯度都有所差别。

2.2红层的物质组成

红层岩性上以粘土岩、粉砂质粘土岩、粘土质粉砂岩、砂岩、砂砾岩为主，局部含薄层石膏或粘土质石膏；它的矿物成份中含有较多的亲水性粘土矿物，其中绿泥石含量在10%～22.7%，伊利石含量在6.3%～25%，蒙脱石含量＜15% ，这是红层岩体遇水膨胀崩解、失水干缩开裂的原因。

化学成份中主要有硅、铝、钙、镁、钾、铁的氧化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO及CaO，这些物质以不同的形态存在于不同的颗粒中，对岩石的物理力学性质起着不同的作用。红层中SiO2及Al2O3相对大量富集，SiO2的含量一般在50%以上，Al2O3含量一般占10%～20%；Fe2O3、CaCO3的含量比较高；K、Na等组分相对含量较少；Fe2O3及其水合物的积聚使得红层呈现出红色［5］；有些地方的红层中含有石膏，岩盐。在红层沉积过程作为胶结物的硅质、铁质及钙质，它们的含量高低在一定程度上能反应红层的强度特征；黄河中上游红层中其胶结物和胶结类型影响着红层的强度，胶结物的强度从高到低依次为，硅质和铁质胶结，钙质胶结，泥质胶结强度最低。

3　红层的工程地质特性

红层软岩的化学成份是影响它的工程性质的主要因素。伊利石、蒙脱石是较强的亲水矿物质，这些成份使软岩遇水容易软化、吸水后容易膨胀和沙化、失水后容易崩解等，直接影响岩石的强度并导致变形。这也是红层软岩的软化系数较低，工程性质比较差的原因。

黄河中上游第三系红层的天然密度一般为2.26g/cm3～2.40g/cm3；含水量为5.1%～10.6%；在干燥的环境下红层抗压强度相对较高［5］，一般为5 MPa～16 MPa，浸水后它的强度变化比较大，岩石的抗压强度、抗剪强度会随着含水量的增大显著降低，具有显著的蠕变特性［6］。

红层中细粒碎屑岩类一般为相对隔水层，为不透水层，而粗粒碎屑岩类则为含水层和透水层，是渗水的通道。红层中含有的盐、碱、石膏等可溶性物质受水侵溶容易溶解、体积膨胀造成渗漏［7］；强风化层透水性较强；红层中地下水对混凝土有侵蚀性。

4　第三系红层工程地质评价

黄河中上游第三系红层为埋藏型红层，该地层具有形成的时代新、成岩作用差、岩性软弱、强度低、承载力不高，在卸荷或开挖暴露后易受到环境条件的影响，岩体的工程地质性质变化比较大。岩体遇水后表面易膨胀、崩解、软化，失水后干缩开裂，工程特性发生明显的改变。在工程地质问题中主要有滑坡、矿业工程中的软岩变形、突水等，具有一定的隐蔽性［1］。埋藏型红层区滑坡多沿着覆盖层与红层接触面发生滑动以及覆盖层中的堆积层滑坡，与煤系地层共生红层中，由于软硬相间岩性组合，经常导致矿井井壁变形、巷道突水等工程问题。

［1］郭永春.红层岩土中水的物理化学效应及其工程应用研究［D］.成都，西南交通大学，2007.

［2］吴凯.隆德县降雨诱发红层泥岩坡面泥流形成机理研究［D］.西安:长安大学，2014.

［3］万宗礼，聂德新，吴曾谋.黄河上游新第三系红层工程地质特性研究［J］.西北水电，2002（02）:60-63.

［4］彭华，吴志才.关于红层特点及分布规律的初步探讨［J］.中山大学学报（自然科学版），2003，42（05）:109-113.

［5王志兵，唐鹏，王朝阳.红层的工程地质特性及其边坡破坏形式［J］.福建建筑，2007，114（12）:94-97.

［6］周传斌，余颂.黄河上游第三系红层物理力学指标相关性研究［J］.土工基础，2010，24（01）:52-54.

［7］余侃柱.甘肃省第三系红层工程地质特性研究［J］.成都理工学院学报，2001，28（09）:154-156.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.093