表生环境下黑色页岩风化产物序列及劣化规律研究

Sequence of production during black shale weathering in epigenetic environment provides significant geological evidence for element migration, change of micro-environment, microstructure of minerals, and mechanical property. In the current study, taking the Shuijingtuo Formation black shale in Chengkou county, Chongqing, as research object, the mineral transformation, change in susceptible environmental elements as well as pore-fissure development are analyzed using macro–meso monitoring and test techniques, such as scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), computer tomography (CT) scan. Laboratory physical modeling is conducted to investigate the interaction between black shale and acid water, and clarify the mechanism of mineral evolution, microstructure change and expansion of pores. Mechanical characteristics of black shale with different weathering degrees are studied to quantitatively analyze the relation between mechanics, mineral and pore-fissure through creep tests. Additionally, characteristics of mechanical deterioration during black shale weathering are discussed to reveal the sequence of production and pore evolution, and further, develop the micro chemical–mechanical deterioration model. The outcome of this study will provide theoretical basis for engineering safety and disaster prevention in areas with special soil and rocks.

黑色页岩在表生环境下形成的风化产物序列是导致元素迁移、地质微环境转变、矿物微结构变化及力学特性明显劣化的重要地质证据。本项目以重庆水井沱组黑色页岩风化的典型剖面为研究对象，借助XRD、SEM、薄片观察、CT扫描等手段，重点研究黑色页岩风化过程的矿物转变、敏感环境元素种类变化、孔隙-微裂隙的发育过程；进行黑色页岩与酸性水相互作用的室内物理模拟实验，再现黑色页岩风化的水岩化学作用过程，揭示矿物演化规律、矿物微结构变化、孔隙扩展及演化规律；采用蠕变试验，研究不同风化程度黑色页岩的力学特性，定量分析力学特性与矿物、孔隙-裂隙网络的相互关系，探讨黑色页岩风化过程的力学劣化演化规律，从而深入揭示黑色页岩风化过程的矿物风化序列、孔隙演化规律，建立微观化学-力学劣化模型，为特殊岩土区域的工程环境安全和防灾减灾提供理论依据。

本项目以中国西南地区黑色页岩为研究对象，运用野外调查、化学测试分析和室内模拟实验等手段，主要针对黑色页岩风化过程矿物蚀变与生成序列和元素的迁移重分布特征和规律进行了研究，揭示了黑色页岩风化过程产生的环境-工程效应。主要研究成果如下：①黑色页岩风化过程主要发生了黄铁矿的氧化作用、方解石的溶解作用、斜长石和白云母的蚀变作用以及伊利石向高岭石的转化作用，这些化学反应主要产生了大量铁锰（氢）氧化物、石膏和粘土矿物等，并主导着主量和微量元素的迁移重分布过程；②主要造岩矿物的蚀变分解使得黑色页岩岩体力学性质发生初步改变，孔隙逐渐增多增大，风化次生矿物产生体积膨胀导致岩体力学性质进一步劣化，裂隙逐渐扩大，最终形成酸蚀滑带并终诱发滑坡；③黄铁矿的氧化分解主导着有害元素的淋滤释放过程，次生铁锰物质和粘土矿物控制着有害元素的重分布过程，这些有害元素最终富集在风化土壤或地表水-地下水系统中，从而造成可能的环境污染效应，产生潜在的人类健康风险。其中，黑色页岩区域风化土壤中有害元素的富集程度可达数十倍（如Mo、Cd等），其中Cd元素还具有较高的生物获得性，利用Pb同位素示踪和APCS-MLR受体模型共同解析出黑色页岩风化作用对风化土壤有害元素的贡献率占据了很大部分。本课题较为全面的研究了黑色页岩风化过程产生的环境及工程效应，有望为黑色页岩地区工程建设和生态环境建设提供理论基础和支撑。