黑色岩层黏土化过程的硫化矿物氧化动力学机理研究

黑色岩层系指一套深灰黑色至黑色、富含有机质和分散状硫化矿物（主要是黄铁矿、白铁矿）的一大类煤系与非煤系地层总称。随着基础设施建设不断推进，西南、华南山区交通工程建设也逐渐增多，会越来越多地遇到这种由于黑色岩层硫化矿物氧化带来的灾害。本项目选取典型硫化矿物黑色岩层为研究对象，以黑色岩层黏土化过程为研究主线，在揭示黑色岩层硫化矿物氧化动力学反应过程的基础上，研究黑色岩层黏土化过程中的酸性水形成机制，分析矿物成分的演化规律，建立硫化矿物氧化的速率公式，探讨氧化酸性水作用下的水岩化学作用及其引起的岩体结构的微观变化与岩体力学性质的改变；分析黑色岩层黏土化过程中硫酸盐的类型，阐明硫酸盐形成的水文地球化学机理及其结晶膨胀对岩体的破坏作用；最终揭示黑色岩层黏土化过程的硫化矿物氧化动力学机理。本项目不仅可以提高对黑色岩层的认识，还将为黑色岩层地区的防灾减灾工作提供科学依据。

本项目首先针对西南地区黑色页岩的化学风化进行现场调查与实验，分析了黑色页岩化学风化过程中的矿物转变序列，硫酸盐生成及黏土矿物演化序列，主量元素、微量元素及稀土元素的迁移、重分布和分异的变化规律，认识了黑色页岩化学风化过程的化学产物行为，认为黑色页岩化学风化主要可概括为以下几个化学过程：①硫化矿物及有机质的氧化作用，②易溶矿物的溶解作用，③长石系列的溶解、蚀变作用，④白云母的转化、蚀变作用，⑤黏土矿物的溶解及转变作用。通过设计氧化条件下的黑色页岩的硫化矿物（黄铁矿）实验，得到完整含硫化矿物的岩体的硫化矿物动力学速率及其影响因素，其速率为Rsp = 10-8.42±0.06[O2]0.5 (mol/m2/s)；模拟了黑色页岩化学风化过程中的氧化条件下的酸性水-页岩相互化学作用，获得黑色页岩水岩化学腐蚀前后矿物变化、相对质量损失、次生孔隙率、纵波波速变化及微观结构特征变化，并通过单轴压缩试验，获得黑色页岩的变形和强度特性规律；最后通过不同溶液淋滤实验来得到黑色页岩的不同膨胀率，计算了不同黏土矿物间的间层膨胀力，揭示了黑色页岩膨胀主要为黏土矿物的间层膨胀作用，并得到不同阳离子作用下对岩体膨胀作用的破坏作用。大量试验和调查较为全面的研究了黑色页岩化学风化过程的地球化学行为、硫化矿物的氧化动力学作用、酸性水-页岩作用的化学-力学耦合作用，为认识黑色岩层风化和在类似岩层中进行工程特性评价提供理论依据。