墨脫區(qū)域滑坡滑帶土礦物譜學(xué)特征及其工程意義

謝 超，周本剛，李正芳，章龍勝，李姜一，許 沖，劉 紅

1. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，中國(guó)地震局活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2. 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所)，北京 100036

墨脫區(qū)域滑坡滑帶土礦物譜學(xué)特征及其工程意義

謝 超1, 2，周本剛1*，李正芳1，章龍勝1，李姜一1，許 沖1，劉 紅2

1. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，中國(guó)地震局活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2. 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所)，北京 100036

滑帶土； 粘土礦物； X射線衍射； X射線熒光光譜； 紅外光譜

引 言

滑帶土是指在滑坡體的發(fā)生和發(fā)展過程中遭受擠壓、剪切、研磨，而在滑帶內(nèi)特定的物理化學(xué)條件下所形成的強(qiáng)度較低的巖土體，亦稱為滑坡面粘土[1]。滑帶土作為滑坡的重要載體，其微觀結(jié)構(gòu)和礦物組合可以有效的反映滑坡的形成機(jī)制和剪切強(qiáng)度，并且與滑坡體賦存的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)[2-3]。因此，研究滑帶土的物質(zhì)組成及其成因機(jī)制對(duì)于判定滑帶的強(qiáng)度和滑坡體的穩(wěn)定性具有非常重要的意義[4]。

墨脫縣位于雅魯藏布江下游地區(qū)，與印度平原毗鄰，在強(qiáng)烈的構(gòu)造隆升及快速的河流下切作用下，形成了區(qū)域內(nèi)的高山峽谷地貌，為滑坡的發(fā)生提供了非常有利的地質(zhì)條件。筆者通過詳細(xì)的野外考察，并結(jié)合影像資料，在雅魯藏布江階地上發(fā)現(xiàn)了大量的滑坡體。以墨脫縣北側(cè)和格林村兩處滑坡體為研究對(duì)象，利用X射線衍射(XRD)、X射線熒光光譜(XRF)和傅里葉紅外吸收光譜(FTIR)對(duì)采集的滑帶土進(jìn)行了測(cè)試，詳細(xì)分析了滑帶土樣品的礦物組成、黏土礦物含量及化學(xué)成分。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)墨脫縣區(qū)域內(nèi)滑坡發(fā)生的環(huán)境、滑體滑動(dòng)特征以及滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了初步分析。

圖1 滑帶土采樣點(diǎn)分布

1 實(shí)驗(yàn)部分

滑帶土樣品MT和GL分別采于墨脫縣北側(cè)和格林村附近的滑帶內(nèi)，兩處滑坡體均由花崗巖、花崗片麻巖組成，滑帶內(nèi)發(fā)育的滑帶土3～5 cm，分布連續(xù)，呈灰色。黏土類型及含量X射線衍射分析(XRD)經(jīng)過3個(gè)步驟： (1)制作自然定向片(N)； (2)乙二醇飽和片(E)； (3)加熱550 ℃高溫片(T)。XRD，XRF及FTIR測(cè)試都需將樣品磨制200目，并壓制成片，然后放入儀器中測(cè)試，但進(jìn)行FTIR測(cè)試的樣品需加入干燥的溴化鉀粉末。

XRD和XRF測(cè)試在北京北達(dá)燕園微構(gòu)分析測(cè)試中心進(jìn)行，X射線衍射儀型號(hào)為D/max-rB，步寬0.02，掃描范圍3°～70°，利用Jade6.0進(jìn)行五相分析； X射線衍射儀型號(hào)為D/max-rA，發(fā)射狹縫與散射狹縫均為1°，掃描速度2°·min-1，采樣步寬0.02。FTIR測(cè)試在北京大學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行，紅外光譜儀型號(hào)為spolight 200，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果

利用X射線衍射對(duì)滑帶土樣品進(jìn)行全巖分析，分析結(jié)果如圖2及表1所示。樣品MT主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石，含有9%的黏土礦物； 樣品GL主要由石英、斜長(zhǎng)石、閃石、少量的微斜長(zhǎng)石及10%的黏土礦物組成。對(duì)滑帶土中黏土礦物進(jìn)行X射線衍射分析，譜峰如圖3所示，樣品MT中黏土礦物主要是伊利石和埃洛石； 樣品GL中黏土礦物以伊利石/蒙脫石混層為主，含一定量的埃洛石及少量蒙脫石，樣品中各黏土礦物的相對(duì)含量如表2所示。

圖2 滑帶土全巖X射線衍射圖

表1 滑帶土中主要礦物含量(%)

圖3 黏土礦物XRD衍射圖

It： 伊利石； Ha： 埃洛石； S： 蒙脫石； I/S： 伊利石/蒙脫石混層； T： 加熱550 ℃狀態(tài)； N： 空氣干燥狀態(tài)； E： 乙醇處理狀態(tài)

Fig.3 Graphs of XRD of clay minerals

It: Illite; Ha: Halloysite; S: Montmorillonite; I/S: Illite/ Montmorillonite mixed layer; T: the state of being heated to 550 ℃; N: air-dry state; E: Ethanol-treated state

表2 滑帶土中主要黏土礦物組成(%)

2.2 X射線熒光(XRF)測(cè)試結(jié)果

通過X射線熒光光譜分析，獲得了滑帶土樣品的化學(xué)成分(表3)。兩個(gè)樣品化學(xué)組分均以Si2O和Al2O3為主，反應(yīng)樣品以硅酸鹽礦物為主，與全巖分析結(jié)果一致，樣品GL含有較多的CaO，反應(yīng)了其黏土礦物組成特征，Na2O和K2O含量次之。

表3 滑帶土中化學(xué)成分含量/%

2.3 傅里葉紅外吸收光譜(FTIR)測(cè)試結(jié)果

圖4 滑帶土樣品的FTIR圖譜

2.4 滑坡事件相對(duì)年代探討

墨脫縣北和格林村兩處滑坡體由花崗巖及花崗片麻巖組成，采集的滑帶土樣品均以石英、斜長(zhǎng)石及微斜長(zhǎng)石為主，反應(yīng)了其成分主要受到洪積扇組分的控制。研究表明，斷層泥或滑帶土形成時(shí)間越長(zhǎng)，其黏土含量越多，在墨脫縣和格林村附近的滑坡面內(nèi)采集的滑帶土黏土含量較低，分別只有9%和10%，反應(yīng)了這兩次滑坡事件發(fā)生的時(shí)代較晚。根據(jù)野外觀測(cè)，在該樣品滑帶土分布兩側(cè)均沒有發(fā)育更老的滑動(dòng)面，同樣說明墨脫縣和格林村附近分布的滑坡體形成的時(shí)代相對(duì)較晚。

2.5 滑坡體滑動(dòng)特征

黏土礦物是一種應(yīng)力礦物，對(duì)外界環(huán)境非常敏感，一般滑帶土中黏土礦物占到10%就可反應(yīng)并影響滑體的滑動(dòng)特性[7]。洪積扇中發(fā)育的正斷層滑動(dòng)面與滑坡面具有非常相似的力學(xué)過程，斷層泥或滑帶土中的伊利石和蒙脫石是伊利石/蒙脫石混層的兩個(gè)端元組分的黏土礦物，溫度較高的環(huán)境下，蒙脫石部分層間水脫出，形成伊/蒙混層，溫度越高，混層比越大，直至最后形成伊利石[8-9]。因此，伊利石和蒙脫石被認(rèn)為分別是巖體快速滑動(dòng)和緩慢滑動(dòng)伴生的黏土礦物，該結(jié)論在對(duì)臺(tái)灣集集Mw7.6地震、汶川Mw8.0地震以及無大震的圣安德烈斯蠕滑斷裂的斷層泥成分研究中得到了驗(yàn)證[8，10-11]。在墨脫縣附近滑坡體采集的滑帶土(MT)中伊利石占黏土礦物總量的64%，且沒有檢測(cè)出蒙脫石，反應(yīng)出該滑坡事件沒有表現(xiàn)出蠕變特征，而是在很短的時(shí)間內(nèi)完成，滑坡體滑動(dòng)速率非常高。樣品GL中黏土礦物成因?qū)⒃诤笪姆治觥?/p>

2.6 墨脫區(qū)域滑坡穩(wěn)定性

埃洛石是一種結(jié)構(gòu)類似于高嶺石的黏土礦物，但結(jié)構(gòu)單元層之間有層間水存在，故也稱多水高嶺石。在兩處滑面采集的滑帶土樣品中都含有一定量的埃洛石，表明發(fā)生滑坡的洪積扇發(fā)育在非常潮濕溫暖的環(huán)境中。由于滑坡面發(fā)育在封閉的環(huán)境中，滑帶土中K2O和Na2O、尤其是樣品GL中的CaO組分得以保存，在水分充足的溫暖條件下，滑帶內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈的水-巖相互作用，即發(fā)生伊利石-伊利石/蒙脫石-蒙脫石的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，甚至可以分解為高嶺石[12-13]。因此，在樣品GL中出現(xiàn)了大量后期分解形成的伊/蒙混層，混層比為30%。晶體內(nèi)(001)層面分離靜電能的變化研究表明黏土礦物在干燥條件下具有較高的摩擦強(qiáng)度值，并隨層間粘合強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大[14]，在含水條件下，黏土礦物如蒙脫石、伊蒙混層、皂石及高嶺石等具有晶體表面吸附水或者同時(shí)含層間吸附水，可以導(dǎo)致黏土礦物表現(xiàn)出較小的摩擦強(qiáng)度值和顯著的弱化機(jī)制，其摩擦強(qiáng)度值相對(duì)于干燥條件下減小約20%～60%[15]，同時(shí)伊蒙混層對(duì)滑帶土或斷層泥產(chǎn)生明顯的脹縮性影響[16]。研究顯示，墨脫區(qū)域兩處滑面的滑帶土中均含有一定量的埃洛石，尤其在樣品MT中，其含量占黏土礦物的36%，同時(shí)樣品GL中的黏土礦物以混層比較低的伊/蒙混層為主。在極其潮濕的環(huán)境中，該黏土礦物組合很大程度上降低了滑帶的摩擦強(qiáng)度值，從而提高了再次發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性。

3 結(jié) 論

(1)墨脫縣北側(cè)及格林村附近滑坡體內(nèi)的滑帶土主要礦物組成受洪積扇組分控制，兩處滑坡事件發(fā)生的時(shí)代較晚； 墨脫縣北側(cè)滑帶內(nèi)的滑帶土樣品中黏土礦物中含大量伊利石，反應(yīng)該滑坡事件在很短的時(shí)間內(nèi)完成，滑坡體滑動(dòng)速率非常高。

(2)墨脫區(qū)域內(nèi)的滑坡面處于封閉的環(huán)境中，沒有力學(xué)性質(zhì)較差的碳酸鹽等外來礦物或含腐蝕質(zhì)的次生黏土沿滑帶裂隙充填進(jìn)去，對(duì)區(qū)域滑坡的穩(wěn)定性具有積極的作用。

(3)墨脫區(qū)域內(nèi)的洪積扇發(fā)育在非常潮濕溫暖的環(huán)境中，滑帶內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的水-巖反應(yīng)，導(dǎo)致格林村附近滑坡面中的滑帶土含大量伊/蒙混層。同時(shí)，兩處滑帶土中均含有一定量的埃洛石，該黏土礦物組合對(duì)滑帶土產(chǎn)生明顯的脹縮性影響，并在很大程度上降低了滑坡面的摩擦強(qiáng)度，提高了再次發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性。

致謝：感謝四川省地震局王明明及劉韶工程師野外工作中給予的幫助及中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所杜建國(guó)研究員、劉雷副研究員在數(shù)據(jù)分析過程中提出的寶貴意見。

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(Received Jan. 19, 2016; accepted Apr. 10, 2016)

*Corresponding author

Spectroscopic Characteristics of Minerals in Sliding Zone Soil in Motuo Landslides and Their Engineering Significance

XIE Chao1, 2, ZHOU Ben-gang1*, LI Zheng-fang1, ZHANG Long-sheng1, LI Jiang-yi1, XU Chong1, LIU Hong2

1. Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institution of Geology, China Earthquake Administrition, Beijing 100029, China

2. CEA Key Laborary of Earthquake Prediction (Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration), Beijing 100036, China

Sliding zone soil; Clay minerals; X-ray diffraction; X-ray fluorescence; Infrared absorption spectra

2016-01-19，

2016-04-10

地震行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201508024)和國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41104052，41472202，41174071)資助

謝 超，1983年生，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所助理研究員 e-mail： chao.xie0017@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： zhoubg1964@263.net

P694

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2266-05