■司玉龙 王卢海 秦士臻
(河南金源黄金矿业有限公司河南洛阳471400)
黄土层中钙质结核的成因和利用
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黄土地区研究者甚少,通过对黄土中结核形成机制的论述,为黄土结核层在各领域的应用提供了理论基础。
黄土特性 结核 节核 钙质结核成因 结核层的利用
黄土是一种以灰黄色为主色调的土体。主要分布于比较干燥的欧亚大陆中纬度地区,呈断续带状分布。在我国主要分布在太行山以西、日月山-贺兰山以东、秦岭以北、阴山以南的陕、甘、青、晋、宁、豫、内蒙等7省(区)的近40万平方千米的区域内。
黄土以粉砂颗粒为主(含量>50%),孔隙度一般为40%-50%,结构松散,发育有大的孔隙,垂直节理比较发育。层理分明。
沈括在《梦溪笔谈》的《雁荡山记》中说:“今成皋、陕西大涧中,立土动及百尺,迥然耸立,亦雁荡具体而微者,但此土彼石耳。”比较形象的描述了黄土地貌的外观。
2.1 钙质结核的特性
结核(concretion,nodue)是指存在于沉积岩中的,在成分、颜色、结构等方面与围岩有显著区别的集合体,形状有球状及各种不规则状。是一种附(寄)生围岩中,具有自己独立性状的零星的岩石土体。在成分以钙质、硅质、铁质为常见。
钙质结核(calcic concretion),又称石灰质结核,下文称黄土结核(loess doll),俗称姜结人(loess child)、姜石(caicite)。黄土中的钙质结核颜色以(灰)白色为主,黄(褐)色次之,土状光泽,硬度3,比重2.7,因掺杂石英、粘土类矿物多少而比重、硬度略有增减。矿物成分以方解石、白云石为主,次要矿物为石英、粘土类矿物、褐铁矿等。结构为细分散隐晶质皮壳状,断面可见同心圆状构造,(由于后期胶状物脱水,可形成放射状构造)。遇冷盐酸剧烈起泡。形状有长柱状、不规则树枝状、圆球状及瘤状。小者几毫米,一般长15-25cm、宽5-10cm,大者可达数米,有的还呈层状分布。常见于古土壤层内部,是胶体凝絮作用的产物。
2.2 钙质结核的形成机制
在黄土形成后的2.4ma以来,风化作用下岩石(以黄土为主)中的Ca、Si等离子被分解出来,它们不溶解于水,随水介质运移,形成胶体物质,特别是钙离子起着主导因素。化学反应式如下:
大气降水或地下水溶解较多的碳酸钙、碳酸氢钙,在运移过程中,遇到不透水底层的壅滞,在淀积层中,沿某一质点(如粘土颗粒、砂粒或水滴)凝聚,由里向外越长越大,并胶结地层中的粘土颗粒、砂砾,形成早期的结核。早期的结核以钙化的形式存在,随着时间轴的推移,沉积作用逐渐累积,形成了分散点状、串珠状的密集程度弱的黄土结核。若沉积环境持续良好的发展,结核相互连接起来,形成不规则的层状连接体,即节核,俗称“天崩石”。其后,黄土地区受喜马拉雅山运动多幕的持续强烈抬升影响,该区的地壳运动也是多期次的以垂直上升为主。故在很多黄土地区的地层剖面上可看到一到数层的结核层。该结核属后生结核,与地层的夹角5°-7°,结核层的厚度一般在0.15-0.3m支架,产状比较稳定。随着人类活动对地形(貌)、植被、地表径流、地下水埋深和侵蚀基准面甚至气候等全方位的影响和改造,结核层的形成机制被破坏,结核层的生命已基本结束。只是在局部泉水出露地区,硬度较大的地下水在转化为地表水时,由于泉水从密闭的地下涌出地表,环境从密闭到开放,P-T也剧烈变化,于是在小范围内形成胚胎期的结核--泉华。
结核和结核层是一种特殊的“层理’。由于该区地层后期的相对隆起,地层剥蚀量大于沉积量,结核(层)出露地表。出露地表的结核由于球状风化,常形成浑圆状分布,在沟壑起伏的黄土坡地,容易使人滑倒,人们形象地称其为“跌跤石”。虽然,结核影响出行和耕作;但勤劳智慧的先民利用“长不盈尺、厚达数寸”,随处可见的节核作为铺路、筑墙的石料,构成黄土地区一道美丽的风景。
3.1 结核(层)在建筑上的利用
在黄土地区,传统的建筑如窑洞、水窖等常巧妙的建在结核层的下部,这样的建筑历经百年也很少坍塌。原理是结核层整体嵌合性好,韧性强,透水性差。
3.2 美学价值
树枝状的节核,有的外形类物,如姜、萝卜,人,俗称“假化石”做成象形石观赏。早期结核内部微细管道多,后期胶体脱水也会形成一些小裂隙,人们利用毛细原理,做“上水石”,成为近年来观赏石市场的新宠。某些结核内部含有水或泥质,在晶体脱水后形成中空的结构,个别的结核在摇动下会发声,成为近年来收藏市场的新贵。
3.3 医学价值
《本草纲目》载:“姜石以形名,或作礓砾。邵伯温:‘天有至戾,地有至幽,石类得之则为礓砾是也’”。还说“生土间,状如姜。有五种,以色白而烂不碜者良。”“味咸,性寒,无毒,主治丁疮、肿胀”。文中所说“色白而烂不碜者良”是指风化较强、结晶较细、不含杂质的结核有好的疗效。现代医学证明,由于钙质结核里含有多种微量元素,可降低水中亚硝胺的含量,对预防食道癌有一定的作用。
3.4 地质学上的意义
3.4.1 工程地质上的运用
可利用前文所述黄土结核层的岩石特性来防止风化侵蚀、滑坡、泥石流、陷落、跨落等地质灾害,特别是工程地质的预防。
3.4.2 科研价值
(1)结核层是来自母岩,但某些矿物又相对富集的矿物集合体,可作为一种标志层,对细致划分黄土地层起着参照物的作用。
(2)结核层是成岩作用的自然产物,可以作为地球化学相的标志,对判断古地球化学环境有着实际作用。
(3)结核层是大构造背景下的产物,如有多层结核层,可推测新构造运动的形迹。
[1]路风香、桑隆康.岩石学.157.北京:地质出版社,2002,8.
[2]徐邦梁.普通地质学.54-55.北京:地质出版社,1993.5.
F426[文献码]B
1000-405X(2016)-5-19-1