施國(guó)軍, 吳道祥,2, 徐冬生, 王國(guó)強(qiáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引 言

中國(guó)淮北平原是鈣質(zhì)結(jié)核土的典型分布區(qū),面積約為 140×104hm2,占淮北平原總面積的52.5%,占全國(guó)含鈣質(zhì)結(jié)核土面積的41.5%。鈣質(zhì)結(jié)核土由于結(jié)核的成因時(shí)代及分布不同,其工程性質(zhì)迥然不同[1,2]。鈣質(zhì)結(jié)核土的工程性質(zhì)既不同于黏性土又有別于碎石土,具有顯著的結(jié)構(gòu)性和“非均勻性”特征,應(yīng)屬于特殊土范疇。淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土的研究引起了地質(zhì)、水利和農(nóng)學(xué)界的廣泛重視[3-8]。

安徽淮北平原位于黃淮海平原的南部,東西兩側(cè)分別與蘇北平原和豫東平原接壤,南以淮河為界;區(qū)內(nèi)除東北部有低山殘丘外,為一片坦蕩平原;地勢(shì)自西北向東南緩傾斜,海拔多在15～46 m之間;地下水位較淺,平緩穩(wěn)定;在大地構(gòu)造上屬華北陸臺(tái)南部,東為山東臺(tái)背斜,西為河淮臺(tái)向斜;結(jié)晶基底為前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系,除東北部為震旦紀(jì)至下古生代地層組成的低山丘陵外,第四紀(jì)地層廣泛分布。區(qū)內(nèi)河流皆屬淮河流域,但由于歷史上古黃河多次改道呈南北擺動(dòng),并奪淮入海,因此淮北平原成土母質(zhì)的主要類型由黃土性古河湖相沉積物、近代黃泛沉積物、近代淮泛沖積物和前第四紀(jì)基巖風(fēng)化物的殘積、坡積物,以及上述各類交互沉積形成的沉積物構(gòu)成。

1 鈣質(zhì)結(jié)核的類型與分布

1.1 鈣質(zhì)結(jié)核的成分與類型

鈣質(zhì)結(jié)核的大量分布是鈣質(zhì)結(jié)核土的重要特征。結(jié)核個(gè)體的粒徑大小不一,最小的不足1 cm,大的可達(dá)30 cm以上,但5～10 cm 左右的最為常見(jiàn)。綜合鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育程度、化學(xué)組分和外表形態(tài),可將其分成雛形鈣質(zhì)結(jié)核、完形鈣質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)硬磐[9],具體關(guān)系[10]見(jiàn)表1所列。

表1 鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育程度、化學(xué)成分與年齡之間的關(guān)系 %

從表1可以看出,鈣質(zhì)結(jié)核中含有相當(dāng)豐富的碳酸鹽,高者可達(dá)68.3%,低者亦有31.39%。其中碳酸鈣成分占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),可占到碳酸鹽總量的97%以上,此外還含有一定數(shù)量的碳酸鎂和碳酸鍶。鈣質(zhì)結(jié)核的發(fā)育程度以及碳酸鹽、碳酸鈣和氧化鈣含量隨著結(jié)核年齡的增加而遞增。

雛形鈣質(zhì)結(jié)核呈塊狀,與周圍土體漸次過(guò)度。薄片觀察表明,它主要由泥晶質(zhì)碳酸鹽和少量微亮晶質(zhì)碳酸鹽膠結(jié)而成,并且結(jié)核中通常嵌埋有較多的土壤碎屑物質(zhì)以及大小為0.01～0.1 mm的石英、長(zhǎng)石、云母碎片。

完形鈣質(zhì)結(jié)核以姜狀和不規(guī)則的球狀為主,由于固結(jié)、硬化成形,而硬度較大;它由微亮晶質(zhì)和亮晶質(zhì)的碳酸鹽,以及大小約0.005 mm的方解石膠結(jié)而成,某些結(jié)核中,石英和長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)20%;結(jié)核中的一些大孔隙通常為方解石填充,呈晶管狀或晶囊狀;鐵錳質(zhì)浸染斑較多,還嵌有不少的鐵錳結(jié)核;內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般由不同色調(diào)、成分和結(jié)構(gòu)的圈層組成,圈層顏色內(nèi)深外淺;結(jié)晶程度內(nèi)好外差;質(zhì)地內(nèi)密外疏;圈層多圍繞某個(gè)核心由內(nèi)向外同心層生長(zhǎng),其核心多由碎屑顆粒(如砂粒、巖屑)、礦物晶體、蝸牛化石等組成。

鈣質(zhì)硬磐是由泥晶質(zhì)或微亮晶質(zhì)的碳酸鹽、土、沙,甚至動(dòng)物化石膠結(jié)固化而成,體積較大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地較均一,固結(jié)和結(jié)晶程度較差,且具有個(gè)體愈大結(jié)晶程度愈差的特點(diǎn);橫斷面有較平整的礫狀斷口,顏色呈灰白-灰褐色,長(zhǎng)軸呈近似水平排列。

通過(guò)系統(tǒng)觀察研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)、不同層位的鈣質(zhì)結(jié)核的外觀特征及切片,可將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大致分為2類：

(1)均質(zhì)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)特征是質(zhì)地均一,含大量泥質(zhì)、粉砂質(zhì)及砂質(zhì)的碎屑顆粒,分選及磨圓程度較差,呈次棱角狀,為碳酸鈣呈泥晶質(zhì)或微亮晶質(zhì)的基底式膠結(jié),固結(jié)和結(jié)晶程度較差,呈塊狀構(gòu)造;多為鈣質(zhì)硬磐和雛形結(jié)核,且兩者又因不同的碳酸鈣含量和膠結(jié)程度而表現(xiàn)出迥異的工程性質(zhì)。

(2)同心結(jié)構(gòu),其核心多為分選及磨圓程度較好的顆粒物質(zhì),且以此為中心呈環(huán)帶狀向外生長(zhǎng);由于碳酸鈣及鐵錳質(zhì)含量的不同而呈現(xiàn)出不同的顏色和結(jié)構(gòu)特征,大致顏色內(nèi)深外淺,結(jié)晶程度內(nèi)好外差,質(zhì)地內(nèi)密外疏;不同層次的結(jié)構(gòu)特征反映了不同形成環(huán)境的變化;完形鈣質(zhì)結(jié)核多為此種形式,在土層中呈分散狀分布,為淮北平原最為常見(jiàn)的形式。

1.2 鈣質(zhì)結(jié)核土的分布

淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核土區(qū)域分布,如圖1所示。一般地,鈣質(zhì)結(jié)核土大面積分布于形狀不同、大小不等的河間、河旁、湖坡洼地和扇前洼地。從圖1可以看到,Q4分布區(qū)土層上部主要分布雛形鈣質(zhì)結(jié)核土,這部分地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的數(shù)量少,粒徑小,影響較弱;Q3分布區(qū)土層上部主要分布完形鈣質(zhì)結(jié)核土,這部分地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的數(shù)量多,粒徑大,對(duì)土體工程性質(zhì)影響較大,是研究重點(diǎn)。

從上到下,鈣質(zhì)結(jié)核的大小和形狀很不一致,由小而大,呈扁平或豎臥在土中,沒(méi)有層理的劃分,呈舌狀分布。雛形鈣質(zhì)結(jié)核分布在剖面中上部約50～80 cm處;完形鈣質(zhì)結(jié)核分布于剖面中下部70～120 cm處;鈣質(zhì)硬磐則位于剖面下部,甚或超過(guò)一般土壤剖面范圍,緊鄰地下水第一含水層(達(dá)3 m深)。其中完形鈣質(zhì)結(jié)核在剖面中的分布最為普遍,且剖面下部形大量多,而上部形小量少。

14C測(cè)定的鈣質(zhì)結(jié)核的年齡隨著深度的增加,有明顯增大的趨勢(shì),且雛形鈣質(zhì)結(jié)核的年齡總是小于完形鈣質(zhì)結(jié)核,而完形鈣質(zhì)結(jié)核的年齡又小于鈣質(zhì)硬磐[11]。

圖1 鈣質(zhì)結(jié)核土區(qū)域分布平面圖

以利辛地區(qū)為例,該區(qū)地貌單元為淮北沖積平原,鈣質(zhì)結(jié)核分布廣泛,埋深較淺,大量存在于粉質(zhì)黏土和黏土層中,在粉土層頂部可見(jiàn)鈣質(zhì)硬磐分布,且塊徑很大,重達(dá)數(shù)十至數(shù)百千克。

利辛在剖面范圍內(nèi),主要分布粉質(zhì)黏土和黏土層,層厚變化不大,粉土分布較少,且厚度較薄。鈣質(zhì)結(jié)核主要出現(xiàn)在埋深1.0 m左右,即標(biāo)高24.5 m處,鈣質(zhì)硬磐分布在粉土頂部,埋深6.8 m,標(biāo)高13.8 m。表層粉質(zhì)黏土或耕土中也含有少量鈣質(zhì)結(jié)核,直徑為0.5～1.0 cm。黏土和粉質(zhì)黏土層中,裂隙發(fā)育,軟塑-硬塑狀態(tài),具青灰色斑紋。鈣質(zhì)結(jié)核粒徑多在1.5～2.0 cm之間。隨著深度的增加,顆粒含量增加,粒徑增大。

總之,淮北平原地勢(shì)較平坦,整體呈西北部高、東南部低的狀態(tài)。若從周邊向中心看,則標(biāo)高中部偏低,周邊偏高。若用阜南—靈璧一線將淮北平原斜切開(kāi)來(lái),切線上方(即西北部)地勢(shì)高,而下方(即東南部)地勢(shì)低。其中以界首、太和和濉溪地區(qū)地勢(shì)最高,而以宿州、固鎮(zhèn)和靈璧一帶地勢(shì)最低。鈣質(zhì)結(jié)核的埋藏標(biāo)高與地面的標(biāo)高變化基本一致,地面標(biāo)高高處,鈣質(zhì)結(jié)核埋藏也高;地面標(biāo)高低處,鈣質(zhì)結(jié)核埋藏也低。從埋藏深度來(lái)看,整體呈地勢(shì)低處埋藏淺,地勢(shì)高處埋藏深的趨勢(shì)。

2 鈣質(zhì)結(jié)核土的成因分析

2.1 鈣質(zhì)結(jié)核的成分來(lái)源及其地下水環(huán)境

以往對(duì)于不同地區(qū)鈣質(zhì)結(jié)核的研究發(fā)現(xiàn),鈣質(zhì)結(jié)核中的鈣質(zhì)成分多來(lái)源于上覆富鈣沉積土層,以及周圍碳酸鹽巖的補(bǔ)充參與。流體中鈣離子的濃度變化成為制約碳酸鈣能否積淀與鈣質(zhì)結(jié)核成核大小的關(guān)鍵性因素。

廣泛發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核的淮北平原,有著其自身的特殊條件和形成環(huán)境,該研究區(qū)地勢(shì)平緩,地面坡降1/7500～1/10000,在其晚更新世的剝蝕面上廣泛覆蓋著幾米至十幾米厚的黃淮泛濫的淤積物,構(gòu)成現(xiàn)代淮北平原特殊的地貌景觀。這些河湖相沉積土,粒度成分比黃土更細(xì)小,由于受地表水流的影響,失去黃土的某些重要特征,但其中富含CaCO3成分的特點(diǎn)沒(méi)有改變[11]。

在干濕交替的氣候條件下,上覆土層的碳酸鈣成分在淋溶作用下與二氧化碳結(jié)合以Ca2+-HCO3-的形式在地下水位附近富集。此外,研究區(qū)內(nèi)一般地勢(shì)平坦低洼,排水不良,地下水流速平靜緩慢的動(dòng)力學(xué)環(huán)境為鈣質(zhì)結(jié)核大規(guī)模的發(fā)育形成提供了條件。

2.2 鈣質(zhì)結(jié)核的形成機(jī)理

把地下水視為開(kāi)放的溶液系統(tǒng),把鈣質(zhì)結(jié)核的形成過(guò)程看作一種結(jié)晶過(guò)程。對(duì)于一般的溶液,其溶質(zhì)濃度為c,臨界飽和濃度為c0(c＞c0),相對(duì)應(yīng)的溶液中溶質(zhì)固態(tài)的化學(xué)勢(shì)為μs,其在溶液中的化學(xué)勢(shì)為 μ1,定義 Δμ=μs-μ1和過(guò)飽和度 Δc=c-c0成正比,即 Δμ=kΔc。對(duì)于溶液系統(tǒng),若要使Gibbs函數(shù)減小,則有溶質(zhì)濃度c減小,即溶液有溶質(zhì)結(jié)晶。但是若形成晶體為半徑(r)很小的顆粒,則將引起Gibbs函數(shù)的增加,此時(shí)G的變化為

其中,σ為界面張力。在(2)式條件下,即

ΔG(r)有極大值。此時(shí)的半徑r*即為臨界成核半徑。伴隨晶核半徑的自由能變化,如圖2所示。

圖2 伴隨晶核半徑的自由能變化

當(dāng)r＜r*時(shí),ΔG＞0,所形成的粒子是亞穩(wěn)的,即使能生成也將立即消滅;而一旦粒子半徑越過(guò)了r*,即當(dāng)r＞r*時(shí),Δ G＜0,則新相粒子便將一直長(zhǎng)大下去直至平衡[12]。

由(2)式可知,溶液的過(guò)飽和度 Δc越大,臨界半徑r*就越小,由熱漲落所形成的小粒子半徑容易越過(guò)r*,使溶質(zhì)不斷結(jié)晶而長(zhǎng)大。但是若過(guò)飽和度Δc太小,則臨界半徑r*將變得很大,溶質(zhì)形成晶胚而復(fù)又溶解。但現(xiàn)實(shí)的地下水不可能是單相的純?nèi)芤合到y(tǒng),其間還存在著大量的砂粒碎屑、生物殘骸等固體小顆粒物質(zhì)。而在這類的“基底相”表面上形成晶核與在單一液相形成的臨界晶核相比要小得多,因此在過(guò)飽和度不大的情況下,溶質(zhì)也可能圍著溶液中的固體小顆粒不斷結(jié)晶長(zhǎng)大。

在地下水這個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)中,CaCO3的溶解與沉淀存在著下列平衡：

從平衡方程可以看出,在地下水溶液為鈣離子所飽和的情況下,若要使CaCO3不斷結(jié)晶,即平衡向左移動(dòng),需滿足下面2個(gè)條件：

(1)平衡體系中,CO2分壓的降低或水分的蒸發(fā)作用有利于沉淀的產(chǎn)生,類似地,土壤的高pH值也將促使平衡向左移動(dòng),使CaCO3的過(guò)飽和濃度增大。

(2)若要使CaCO3持續(xù)沉淀,即結(jié)核不斷長(zhǎng)大,還需有Ca2+-HCO3-型地下水的不斷補(bǔ)充,即其它處的碳酸鈣不斷轉(zhuǎn)化為重碳酸鈣,且通過(guò)運(yùn)移在土層一定深度集中富集。

淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核年齡,見(jiàn)表2所列。

表2 淮北平原鈣質(zhì)結(jié)核年齡

由表 2可知,淮北平原鈣質(zhì)硬磐的形成時(shí)間[10,11]為晚更新世中期到晚期,完形鈣質(zhì)結(jié)核的形成時(shí)間為晚更新世晚期到全新世早期。

淮北平原為典型的暖溫帶過(guò)渡性氣候,年降水量分配不均,且蒸發(fā)量大于降雨量。晚更新世時(shí)氣候干濕交替,有利于碳酸鈣的淋溶運(yùn)移。全新世氣候轉(zhuǎn)暖,水分充足,大量的生物活動(dòng)使土壤中飽含CO2,有利于碳酸鈣的累積。當(dāng)氣候干旱時(shí),蒸發(fā)作用增強(qiáng),使地下水中的CaCO3溶液很快進(jìn)入較大的過(guò)飽和狀態(tài);在水分向上運(yùn)移的過(guò)程中CO2由于分壓的降低不斷析出,促使了Ca-CO3的沉淀結(jié)晶。這種情況下,CaCO3易于在十分細(xì)小的固體顆?；蛟谧陨硇纬傻男【ЯＶ車掷m(xù)快速結(jié)晶生長(zhǎng)。由于生長(zhǎng)快且較連續(xù),故結(jié)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻,呈塊狀,但結(jié)晶程度差;較充分的CaCO3成分補(bǔ)給,較穩(wěn)定的地下水位,使之能夠圍繞原來(lái)形成的結(jié)核體不斷長(zhǎng)大,最終發(fā)育為密集成層分布的大個(gè)體的鈣質(zhì)硬磐層。

在碳酸鈣過(guò)飽和濃度稍低時(shí),CaCO3就傾向于在體積稍大的固體碎屑周圍結(jié)晶,因而形成的結(jié)核中大多具有碎屑核心。在這種情況下,結(jié)晶生長(zhǎng)均勻緩慢,形成的鈣質(zhì)結(jié)核個(gè)體相對(duì)稍小,且內(nèi)部結(jié)晶程度較高,在土層剖面中成層但分散狀分布。

而當(dāng)土壤溶液中CaCO3的濃度較低時(shí),即使環(huán)境發(fā)生微小變化時(shí),淀積層中的CaCO3的濃度也將會(huì)在臨界飽和度附近波動(dòng),結(jié)核隨之長(zhǎng)長(zhǎng)停停,有時(shí)甚至還會(huì)重新溶解。此時(shí)膠結(jié)作用將取代結(jié)晶作用成為主導(dǎo)的形成方式,因而形成的雛形鈣質(zhì)結(jié)核包含較多的碎屑物質(zhì),及長(zhǎng)石、石英、云母碎片,最后形成塊狀結(jié)構(gòu),并與土體漸次過(guò)度呈弱膠結(jié)狀態(tài)。

鈣質(zhì)結(jié)核及其周圍土壤的化學(xué)成分[13],見(jiàn)表3所列。由表3可以進(jìn)一步推斷,不同的成因作用使鈣質(zhì)結(jié)核的類型和結(jié)構(gòu)全然不同,表現(xiàn)在化學(xué)成分上主要為碳酸鹽富集程度的差異;當(dāng)然,不同地區(qū)不同時(shí)代的地下水類型,以及土壤環(huán)境條件的不同,也是導(dǎo)致化學(xué)成分含量分異的因素。

表3 鈣質(zhì)結(jié)核及其周圍土壤的化學(xué)成分占烘干土重 g/kg

3 結(jié)果與討論

從鈣質(zhì)結(jié)核的形成過(guò)程看,鈣質(zhì)結(jié)核并不是單一成土作用的產(chǎn)物。在成土過(guò)程中,伴隨著土壤淋溶作用和脫鈣作用的進(jìn)行,上部土層的碳酸鈣礦物與含碳酸質(zhì)的水分作用,生成碳酸氫鈣從而大量流出,大部分易溶性鹽類如氯、硫、鈉、鉀等也從土體中淋失,而硅、鐵、鋁則基本上未遷移。土壤溶液和地下水均為鈣離子所飽和,從土壤表層向下遷移的鈣便在一定深度上又積聚起來(lái)。由形成機(jī)理可以看出,鈣質(zhì)結(jié)核的形成過(guò)程類似于碳酸鹽巖的重結(jié)晶成巖作用。在飽和的Ca2+-HCO3-地下水溶液中,水分的蒸發(fā)和二氧化碳分壓的減小,使碳酸鈣達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)而沉淀析出。在結(jié)核的長(zhǎng)大過(guò)程中,往往包含著一些微小的生物殘骸和碎屑物質(zhì),并以此為中心,周而復(fù)始不斷長(zhǎng)大。同時(shí),在結(jié)核過(guò)程中,還伴隨著交代作用和膠結(jié)作用的參與,加上由碳酸鹽濃度帶來(lái)的結(jié)晶程度和快慢的差異,使不同時(shí)期形成的鈣質(zhì)結(jié)核具有各自獨(dú)特的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征。

鈣質(zhì)結(jié)核是以淮北平原的沉積土層為基相而形成的,有規(guī)模地成層且分散狀地分布,使其所在土層的工程性質(zhì)區(qū)別于一般的黏性土。因此,鈣質(zhì)結(jié)核的形成本身就是對(duì)土的次生改造,可以把它歸為成土作用的一部分。筆者認(rèn)為,鈣質(zhì)結(jié)核土的形成,是在多方條件參與下逐漸形成的區(qū)域特殊土體,是成土作用和成巖作用共同作用的結(jié)果。另外,由于碳酸鹽的沉淀是自生性的形成,它的形態(tài)發(fā)育局宥于周圍土體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。鈣質(zhì)結(jié)核的外觀極為凹凸不平,具有針狀或瘤狀突起,與土體的接觸面積大大增加。其自生形成的性質(zhì)特點(diǎn)使其迥異于碎石土中的粗粒成分,使鈣質(zhì)結(jié)核土的性質(zhì)與碎石土有所區(qū)別,并因土中鈣質(zhì)結(jié)核分布的均勻性與類型的不同、含量的多少以及地下水的情況而各有差異。

鈣質(zhì)結(jié)核的成因問(wèn)題不僅涉及土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué),還涉及熱力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力以及成土作用、成土后期的改造作用。此外,不同類型的成土母質(zhì)成分和地下水環(huán)境使鈣質(zhì)結(jié)核的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn),關(guān)于鈣質(zhì)結(jié)核土的結(jié)構(gòu)性和工程性質(zhì),在以后將開(kāi)展更加深入和廣泛的研究。

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