火山巖風化程度的厘定
——以黔西晚二疊世超基性巖和基性玄武巖為例

劉德成, 王衛東

(1.北京市地質礦產勘查開發集團有限公司,北京 100050; 2.北京市地質災害防治研究所,北京 100120;3. 北京市京盛工程勘察有限公司,北京 102206; 4.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075;5. 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室(中南大學),湖南 長沙 410075)

0 引言

風化作用是引起巖石力學性能劣化的重要因素[1-2],在地質災害評價與防治、水利水電工程勘察中發揮著重要作用,全風化或中—強程度風化都會引起巖質邊坡力學性質(彈塑性、脆性、延性、流變性等)的降低[3-4],進而引發不良地質災害。目前,地質學、地球化學、水利水電工程、礦山工程、建筑與土木工程等領域定量判斷巖體(石)風化程度的方法主要包括力學參數分析法[5-7]、工程物探方法[8-13]和數學地質方法[14]?！禛B 50218—94工程巖體分級標準》[5]提出了基于波速比(Kv)和風化系數(Kf)的巖石風化程度定量分類標準,但這兩種分類標準都需要以獲取新鮮巖石的縱波速度、飽和單軸抗壓強度背景值為前提; 王曉峰等[7]采用常規量化指標飽和單軸抗壓強度(unconfined compressive strength,UCS)與標準貫入試驗擊數,建立了巖石風化程度的定量分類標準,但在試驗中不同規格設備得到的標準貫入試驗擊數有很大差異性,實驗結果精度差、離散性大; 邵長云等[8]通過鉆孔超聲波測試,將縱波與橫波的速度換算成波速比來劃分巖石的風化程度,但巖體節理裂隙的發育程度會直接影響巖體波速,在實際應用中很難取得理想效果。此外,巖石力學參數測試普遍存在過程復雜、周期長、經濟成本高、應用范圍局限等問題[15-16],而巖石樣品的主成分測試相對簡單,且部分元素的地球化學指標具有廣泛的適用性,通過構建不同化學風化指標與巖石風化程度的關系,利用多項指標評價并劃分巖石風化程度,對不良地質災害的評估與防治工作具有實用意義。

化學風化指標的原理基于當新鮮巖石遭受風化淋濾后,其化學組分理論上會發生相應變化,被廣泛應用于巖石風化程度的評價研究[1,17-21]。本文著重評述了在以往研究中被認為能較好反映火山巖風化程度變化的12種化學風化指標的優點及其使用上的局限性,并引入了巖石氧化因數Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO))[22-26]劃分判定了黔西晚二疊世超基性巖和基性玄武巖的風化程度,進而用該指標與12種化學風化指標做散點交會,評價這12種指標在超基性巖和基性巖風化程度判定中的適用性。研究可為超基性巖和基性玄武巖巖質地區不良地質災害調查、評價與防治提供科學依據,為中性巖和酸性巖風化程度的劃分提供新思路和新方法。

1 常用化學風化指標及其適用性

自20世紀20年代以來,國內外學者已提出了30多種化學風化指標[1,4,19,27-50],大多數指標都以全巖化學成分的測試分析為基礎,多以沉積巖和巖漿巖為研究對象,不同化學風化指標都有其優點和使用的局限性。本文著重評述了在以往研究中被認為適合用于巖漿巖風化程度評判的風化指數,包括鋁-鐵鎂指數(Al-Fe Mg,A-FM)[4]、修訂過的風化潛力指數(modify weathering potential index,MWPI)[29]、帕克風化指數(weathering index of Parker,WIP)[31]、科爾曼風化指數(weathering index of Colman,WIC)[32]、化學蝕變指數(chemical index of alteration,CIA)[33]、堿-鋁指數(basicity aluminium index, BA)[34]、原生礦物蝕變指數(mineralogical index of alteration,MIA)[38]、燒失量(loss on ignition ,LOI)[39-40,45]、風化潛力指數(weathering potential index,WPI)[41]、風化指數(weathering index,W)[42]、花崗巖風化指數(weathering index of gra-nite,WIG)[44]、玄武巖風化指數(basalt weathering index,BWI)[48]等12種化學風化指標的優點及其使用局限性。

彭晉[4]基于不同風化階段(除極端風化程度外)呈高度不溶性三價態的Fe3+富集與Al富集具有一致性,而二價態的Fe2+和Mg的活動性較強的特點,提出了風化指數A-FM,該指數對峨眉山玄武巖風化程度的變化敏感性顯著,更適用于判定風化前期玄武巖的風化程度; Reich[29]提出的MWPI可以很好地表征玄武巖剖面的風化程度,表現為從新鮮玄武巖、半風化玄武巖到土壤的MWPI值逐漸減小,但該指標不適用于黑色頁巖和沉積碎屑巖風化程度的評價; Parker[31]通過計算硅酸巖中堿金屬和堿土金屬元素在風化產物中所占的比例,提出用WIP評價硅酸巖風化強度,但堿金屬和堿土金屬元素在強風化情況下會嚴重流失,顯然不適用于評價風化程度較高的巖石; WIC由Coleman[32]以風化過程中活動性元素的氧化物(Na2O、K2O、CaO、MgO)和不活躍元素的氧化物(Al2O3、Fe2O3、TiO2)的摩爾比值來定義,隨風化程度的增高WIC值減小,該指標對酸性花崗巖較為敏感,不適合含碎屑和自生方解石的沉積巖的風化評價; Nesbitt等[33]基于加拿大古元古代花崗巖-輝石巖等化學組成相對均一的巖漿巖的風化研究,以不活躍元素的氧化物Al2O3和活動性元素的氧化物Na2O、K2O和CaO的摩爾比值來定義化學蝕變指數CIA,其值隨風化程度的增高而增大,其應用前提是風化母巖的化學組成相對均一; Harnois[34]提出的堿-鋁指數BA是易溶組分堿金屬、堿土金屬元素與相對穩定元素Al的比值,該指數應用的前提是假設風化過程中Al不活躍,但在實際風化過程中該條件很難滿足,適用于母巖化學組分均勻的巖石風化程度的判定。Voicu等[38]提出的指示原生礦物蝕變程度的指標MIA=2×(CIA-50),克服了CIA指標的取值范圍局限于50～100之間的不足,但存在和CIA指標同樣的使用限制。

Irfan[39-40]對香港風化火山巖特征的研究表明,WPI和LOI等指標能較好地指示火山巖和花崗巖風化程度的變化。但Duzgoren等[51]在對同一地區火山碎屑巖化學風化指數的評估中注意到LOI與某滑坡酸性火山碎屑巖風化程度之間的相關關系很差。此外,徐則民等[45]在峨眉山玄武巖風化程度評價中注意到當風化程度較低時,LOI對風化程度的指示性較差,在風化中后期,風化程度越高,LOI越大。因此,LOI適合風化中后期,而不適用于風化初期的玄武巖風化程度評價。Price等[41]提出的風化潛力指數WPI對于玄武巖風化程度的變化更敏感,隨著玄武巖風化程度的加深,WPI的變化比WIP、PI、SA、STI更顯著,但不適用于沉積巖風化程度評價。Ohta等[42]基于基性巖、中性巖、酸性巖及其風化產物的化學組成建立的風化指數W,適用于化學組成不均一巖漿巖的風化程度的判定; Gong等[44]基于花崗巖風化過程提出的風化指數WIG,其計算不需要CO2含量的數據,為依據全巖主量元素數據判定巖石風化程度提供了可能; 王衛東等[49]提出了玄武巖化學風化指數BWI,并與常用的CIA、WPI等18種化學風化指標比較,發現該指標在對基性玄武巖風化程度的判別中單調性更為顯著。

2 巖石氧化因數的常見表達式

巖石遭受物理作用和化學風化作用的改造使得低價態的Fe2+被氧化為高價態的Fe3+,Fe3+快速水解氧化成Fe(OH)3,再經過脫水形成Fe2O3,而硅酸鹽中的Al3+被水解成Al2O3膠體,風化的最終產物為鋁土礦,巖石遭受以水化作用為主的化學風化作用的結果必然造成Fe3+和Al3+的富集,Fe2+減少[25-26,52-54]。因此,巖石中鐵的氧化物Fe2O3、FeO的含量及兩者比值可以反映巖石的氧化程度及相關信息。

用以評價巖石氧化程度的指標一般稱為氧化率、氧化度、氧化系數,計算表達式見表1。本文對巖石氧化程度的計算沿用Matthews[55]提出的計算表達式Fe2O3/(Fe2O3+FeO),稱為氧化因數,變量符號為Xo。

表1 巖石氧化程度指標Tab.1 Indicators forevaluating the rock oxidation degree

3 現存問題與風化巖石下限參考標準

3.1 現存問題

盡管巖石氧化因數是判斷巖石風化程度的一項重要參數,但國內將其應用于火山巖氧化程度或風化程度的實踐較少。黃建霞[57]在廈門港灣氧化還原沉積環境的劃分研究中根據Fe3+/Fe2+值,粗略劃定在強氧化環境區Fe3+/Fe2+值高于1.5,弱氧化環境區Fe3+/Fe2+值介于0.8～1.5。單玄龍等[58]應用該標準計算了松遼盆地營城組陸上氧化環境火山巖的氧化比(Fe3+/Fe2+)高于0.8。該指標的不足之處是沒有考慮火山巖與沉積巖在形成條件、發育環境、分布規律等方面的顯著差異,劃分沉積物氧化程度的臨界標準并不適用于由火山作用形成的火山巖。

根據Le Maitre[56]的數據,本文統計了鈣堿性系列火山巖(拉斑玄武巖、玄武巖、安山巖、英安巖、流紋英安巖和流紋巖)的氧化因數平均值(表2),發現在同一氧化還原環境中,不同巖漿酸度火山巖的Xo值和Fe2O3/FeO值差異較大,表現為巖漿酸度越高,火山巖氧化因數Xo越高(表2),即火山巖Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值或Fe2O3/FeO值與巖漿酸度存在正相關。因此,根據黃劍霞[57]和單玄龍等[58]采用傳統方法構建的標準,不能對不同巖漿性質火山巖的氧化程度或風化程度進行有效的判別。

表2 鈣堿性系列火山巖氧化因數Xo平均值統計結果[56]Tab.2 Average value of rock oxidation factor Xo for calcalkaline series volcanic rocks[56]

3.2 風化巖石下限參考標準

前述表明,在應用火山巖氧化因數Xo判斷火山巖氧化程度或風化程度時,針對超基性巖、基性巖、中性巖和酸性巖應選取不同的下限標準。Matthews[55]利用Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值對一些在風化作用中易受影響的氧化物,如CaO,MgO,K2O和H2O的含量進行投圖,表明風化的玄武巖常表現出Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值增大的特點,若氧化物Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值大于0.55,玄武巖就不能被視為新鮮的巖石。因此,本文中風化玄武巖的氧化因數Xo下限標準取值0.55(圖1)。

圖1 基于氧化因數Xo的不同酸度火山巖風化巖石與新鮮巖石下限標準Fig.1 Lower limit standards for weathered and fresh volcanic rocks with different acidity based on oxidation factor Xo

由于本文的實例研究中還涉及到超基性巖,結合Le Maitre[56]和何衍鑫等[59]的研究成果,計算統計超基性巖、基性巖、中性巖和酸性巖弱氧化環境(即微風化巖石與新鮮巖石)判定下限標準,當超基性巖氧化因數Xo值大于0.44(圖1),不能被視為新鮮的巖石。

4 黔西晚二疊世玄武巖風化程度的厘定

4.1 分析方法與數據獲取

本文以郭靖[60]取自黔西不同風化層的6件晚二疊世超基性巖樣品和3件基性玄武巖樣品為研究對象,9塊樣品氧化因數Xo與12種化學風化指數的計算結果見表3。結合圖1構建的超基性巖和基性巖氧化因數Xo的下限標準,以及郭靖[60]文章中的定性描述和基于可拓學定量評價的風化成果,定量判定巖石樣品風化程度。

表3 黔西超基性巖和玄武巖氧化因數Xo與化學風化指數計算結果Tab.3 Calculation results of oxidation factor Xo and chemical weathering index of ultrabasic rocks and basalts in Western Guizhou Province

4.2 玄武巖風化程度的厘定

9塊樣品中,樣品1#和2#取自弱風化層,樣品3#和4#取自中風化層,樣品5#、6#和7#取自強風化層,樣品8#和9#取自全風化層。樣品的主成分測試結果[60]顯示,SiO2和FeO的含量隨超基性巖和基性玄武巖風化程度的加深呈顯著減小的趨勢,而Fe2O3和Al2O3的含量隨超基性巖和基性玄武巖風化程度的加深呈顯著增加的趨勢(圖2),證實風化作用會造成Fe2O3和Al2O3富集,FeO減少,表明引入氧化因數Xo評價玄武巖風化程度是科學合理的。

圖2 9塊樣品隨風化程度的變化其主要氧化物含量變化趨勢[60]Fig.2 Change trend of main oxide content of 9 samples with the change of weathering degree[60]

統計結果表明,6件超基性巖和3件基性玄武樣品的Xo值介于0.36～0.98(圖3),以本文確定的下限標準,結合郭靖[60]的定性分析結果,將黔西地區晚二疊世超基性巖和基性玄武巖風化程度的劃分標準確定為: 氧化因數Xo≤0.44、(0.44,0.58]、(0.58,0.72]、(0.72,0.86]和>0.86,依次對應超基性巖的新鮮巖石、微風化巖石、中風化巖石、強風化巖石和全風化巖石; 氧化因數Xo≤0.55、(0.55,0.66]、(0.66,0.77]、(0.77,0.88]和>0.88,依次對應基性玄武巖的新鮮巖石、微風化巖石、中風化巖石、強風化巖石和全風化巖石(圖3)。

圖3 9塊樣品氧化因數Xo分布與風化(氧化)程度劃分[60]Fig.3 Distribution of oxidation factor Xo distribution and classification of weathering (oxidation) degree in 9 samples[60]

4.3 12種化學風化指標的適宜性評價

將表3中的巖石氧化因數Xo和12種化學風化指標做散點交會,評價其對超基性巖和基性巖風化程度劃分研究的適用性。9件樣品氧化因數Xo與WIP(圖4(a))、MWPI(圖4(b))、WIC(圖4(c))、WPI(圖4(d))、WIP(圖4(e))、BA(圖4(f))指標散點交會的相關性表明,對于未風化巖石(樣品1#、2#)和微風化—中風化巖石(樣品3#、4#),兩者無明顯敏感性和單調性; 但對中強風化巖石(樣品5#、6#)和全風化巖石(樣品7#、8#、9#),兩者呈顯著負相關。說明這6種化學風化指標均不適宜風化初期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價,僅適合于風化中后期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價。

9件樣品的氧化因數Xo與CIA、BWI、MIA、W、A-FM、LOI指標散點相關性表明,CIA(圖4(g))、MIA(圖4(i))和W[4](圖4(j))這3種指標在未風化巖石(樣品1#、2#)和微風化—中風化巖石(樣品3#、4#)中與氧化因數Xo呈顯著負相關,在中強風化(樣品5#、6#)和全風化(樣品7#、8#、9#)巖石中與氧化因數Xo呈顯著正相關。表明這3項化學風化指標也不適用于風化初期玄武巖風化程度的評價,對風化中后期玄武巖風化程度反應敏感。BWI(圖4(h))、A-FM(圖4(k))、LOI(圖4(l))這3種指標在新鮮巖石到全風化巖石中與氧化因數Xo均表現出顯著正相關,既適合風化初期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價,也適合風化中后期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價。

(a) WIP (b) MWPI (c) WIC圖4-1 9塊樣品氧化因數Xo與12種化學風化指標散點圖Fig.4-1 Scatter plot of the oxidation factor Xo and 12 chemical weathering parameters of 9 samples

5 結論

(1)引入巖石氧化因數Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO)作為巖石風化程度的評價指標,建立超基性、基性、中性和酸性火山巖的新鮮巖石與風化巖石下限判別標準,厘定了黔西晚二疊世6件超基性巖和3件基性玄武巖樣品的風化程度,構建了基于巖石氧化因數的新鮮巖石、微風化巖石、中風化巖石、強風化巖石和全風化巖石的定量判定標準。

(2)巖氧化因數Xo與以往研究中被認為能較好反映火山巖風化程度變化的12種化學風化指標(A-FM、MWPI、WIP、WIC、CIA、Ba、MIA、LOI、WPI、W、WIG、BWI)做散點交會,得出BWI、A-FM、LOI這3項指標既適合于風化初期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價,也適合風化中后期超基性巖和基性玄武巖風化程度的評價,其余9種指標僅對風化中后期超基性巖和基性玄武巖的風化程度反應敏感。