红层细碎屑岩遇水崩解微观机理的试验研究

邓仕骐，李远耀，徐 勇，王宁涛，王腾飞

(1.中国地质大学(武汉) 地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心(中南地质科技创新中心)，湖北 武汉 430205)

大陆红层是一类在陆相沉积环境中形成的以红色为主色调的碎屑岩层，其岩性和结构复杂多变[1]。红层细碎屑岩是红层中粉砂岩-泥岩系列的岩石，属红层软岩，具有岩体强度低、抗风化能力差、亲水性强、易崩解等显著特性，其工程地质性质差，常孕育滑坡、崩塌等地质灾害[2-3]。

前人对红层细碎屑岩的崩解特性及机制已做了大量的研究。如：Gokceoglu等[4]认为红层软岩耐崩解试验循环次数为5次时最能体现其耐崩解性;左清军等[5]、甘文宁[6]、叶火炎等[7]、宋彦辉等[8]、Koralegedara等[9]和Zhang等[10]的研究表明，红层软岩的物质组成、内部结构等自身特性是影响其耐崩解性的主要控制因素，即微观孔隙和黏土矿物等不稳定矿物的增多和矿物结合体的连接性降低是导致红层软岩耐崩解性下降的重要因素；Zhang[11]认为红层软岩的崩解包含从内到外、从微观到宏观的一系列过程。在红层软岩物质组分和微观结构变化测试方法研究方面，王倩等[12]、范学运[13]介绍了利用X射线衍射测试红层软岩中黏土矿物含量的方法；许家良[14]介绍了利用扫描电镜观测红层软岩微观孔隙结构和利用Matlab分析红层软岩相片的方法；林玉玲等[15]、苗得雨等[16]提出了提取红层软岩微观结构参数的方法。

综上所述，前人目前的研究大多集中在影响红层软岩耐崩解特性的内外因素方面，缺乏对岩石崩解过程中物质和结构的演化过程的研究，也较少利用高精度的测试技术对岩石微观层面进行分析，且对岩石崩解过程微观机理的阐述不足。为此，本文选取湖南桑植县满家坡滑坡的红层细碎屑岩作为研究对象，通过开展耐崩解试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验，对不同崩解循环后的红层细碎屑岩岩样的物质组成和微观结构进行深入分析，探讨红层细碎屑岩遇水崩解的微观机理及其演化过程，为进一步揭示红层滑坡破坏机理提供新的思路。

1 耐崩解试验

1.1 岩石样品采集

岩石样品采自湖南桑植县满家坡滑坡(见图1)边界处的新鲜基岩露头(见图2)，地层上属中三叠统巴东组二段(T2b2)，岩性以粉砂质泥岩为主[3],经岩石薄片鉴定确定其主要矿物组成后定名为红褐色中厚层状粉砂质泥岩(见图3)，属红层细碎屑岩。

图1 湖南桑植县地理位置图Fig.1 Geographical location map of Sangzhi County, Hunan Province

图2 满家坡滑坡红层基岩采样露头Fig.2 Sampling outcrop red bed rock of Manjiapo landslide

图3 粉砂质泥岩薄片鉴定特征Fig.3 Identification characteristics of thin section of silty mudstone

1.2 试验过程

耐崩解试验采用中国地质大学(武汉)岩土力学实验中心的SCL-1型耐崩解仪，筛桶孔径为1 mm，每3 s转一次。试验前，先将岩石样品制成重为40～60 g、直径为3～5 cm规格的小块，共设置5组对比试验组，每组8个岩样，其中前4组岩样用于测试耐崩解性指数，第5组岩样用于后续物质组成和微观结构试验。

根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)中规定的耐崩解试验流程，首先将每组岩样烘干并称重，可得岩样的初始重量，随后将岩样放入耐崩解仪中崩解10 min；一次崩解过程完成后，取出样品烘干并称重，持续重复以上步骤，进行5次崩解循环，并对最后剩余的岩样称重，即完成一次耐崩解试验。按下式计算岩样5次崩解循环的耐崩解性指数(Id5):

(1)

式中：M0为岩样的初始干质量(g)；M5为5次崩解循环后剩余岩样的干质量(g)。

1.3 试验结果分析

试验完成后，可得到不同崩解循环后红层细碎屑岩各组岩样的剩余干质量和耐崩解性指数(Id5)，见表1。

由表1可知，满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样的5次崩解循环Id5值较低，各组岩样的Id5值在35%～55%之间，平均值为48.086%。

表1 满家坡滑坡红层碎屑岩各组岩样的耐崩解试验结果Table 1 Result of slake durability test of the red bed fine classic rock samples from Manjiapo landslide

2 红层细碎屑岩的物质组成与微观结构试验

以耐崩解试验中第5组红层细碎屑岩岩样为研究对象，同样进行5次崩解循环，取原状样和不同崩解循环完成后的岩样作为后续开展物质组成和微观结构试验的样品，并依次编号为R0～R5，其中R0表示原状样，R1～R5分别表示第1次至第5次崩解循环后的岩样。

2.1 崩解岩样的物质组成试验

2.1.1 试验仪器及过程

采用X射线衍射(XRD)相分析方法，测定不同崩解循环中岩样的矿物组成，试验仪器采用中国地质大学(武汉)地质调查实验中心的Olympus XRD Terr X射线衍射仪。试验时，先将岩样磨成粉末，过200目筛后放入仪器中测试；测试完成后从仪器中导出数据，利用Xpowder软件进行反演分析，最终得到对应岩样的XRD图谱。满家坡滑坡红层碎屑岩原状样(R0)的X射线衍射(XRD)图谱见图4。

图4 满家坡滑坡红层碎屑岩原状样(R0)的X射线衍射(XRD)图谱Fig.4 X-Ray Diffraction (XRD) spectrum of the undisturbed red bed fine classic rock sample (R0) from Manjiapo landslide

2.1.2 试验结果及分析

不同崩解循环中满家坡滑坡红层碎屑岩岩样的矿物组分及其含量(质量分数)变化，见表2。

由表2可知，本试验红层细碎屑岩包含9种主要矿物，结合其在岩石薄片中的矿物特征，根据矿物类型、矿物赋存特征可将其划分为三大类，即碎屑组分、胶结物组分和黏土矿物组分，后两者同时作为岩石的填隙物存在。碎屑组分粒径较大，构成岩石骨架；胶结物和黏土矿物作为填隙物充填于碎屑组分间，起联结碎屑颗粒的作用。此外，该岩石中尚含有少量非晶质组分，主要为未成晶型的硅质、铁质、钙质矿物，包括玉髓、方解石、赤铁矿等[15]，整体占比较小，约为7%左右。

表2 不同崩解循环中满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样的矿物组分及其含量(质量分数)变化Table 2 Mineral compositions and contents of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide in each disintegration cycle

2.2 崩解岩样的微观结构试验

2.2.1 扫描电镜(SEM)相片获取

SEM试验采用中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的FEI Quanta 200环境扫描电子显微镜进行。试验前，先将岩样加工成2 cm见方、两面磨平的小方块，R0～R5每样各两块，分别对应崩解岩石表面和新鲜面，以对比崩解过程中岩石内外部的微观结构特征，共12块岩样。拍摄SEM相片时，在每块岩样上选择3～4个点依次放大500倍、1 000倍、2 000倍进行拍摄，岩样R4的SEM样片见图5。

图5 满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样R4在不同放大倍数下的扫描电镜(SEM)相片Fig.5 SEM images of the red bed fine clastic rock samples(R4) from Manjiapo landslide with different magnification

2.2.2 扫描电镜(SEM)相片信息提取

本文利用Matlab软件对红层细碎屑岩岩样的SEM相片进行处理及信息提取，对其微观结构信息进行定量分析。

SEM相片信息提取流程主要包括预处理、图像降噪、对比度增强、图像二值化、图像优化、信息提取6个步骤[16]。经处理后所获得的岩样R4的SEM图像见图6。

图6 处理后满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样R4的SEM图像Fig.6 SEM image of the processed red bed fine clastic rock samples(R4) from Manjiapo landslide

提取的岩石矿物颗粒微观几何参数包括：颗粒长轴长度LL、颗粒短轴长度LS、等面积圆颗粒周长S0、颗粒周长S、岩石孔隙率PO共5个。为了进一步揭示岩石崩解过程中微观结构的变化，引入了球度R和磨圆度PS两个参数。

球度R和磨圆度PS均是刻画岩石单个矿物颗粒微观结构的参数。球度的定义为岩石矿物颗粒的短轴长度LS与长轴长度LL之比，可作为衡量岩石矿物颗粒形态与球体接近程度的参数，其数值范围为(0,1]，该参数越大，说明岩石矿物颗粒形态越接近球体。岩石表面的球度计算公式为

(2)

磨圆度的定义为岩石矿物颗粒周长S与等面积圆颗粒周长S0之比，可用来衡量岩石矿物颗粒边界的粗糙程度，其数值范围为[1,+∞)，该参数越大，说明岩石矿物颗粒边界越粗糙、棱角越多，反之则说明岩石矿物颗粒边界越光滑、棱角越少。岩石表面磨圆度的计算公式为

(3)

2.2.3 试验结果及分析

对所有红层碎屑岩岩样的SEM相片进行处理后，可得到不同崩解循环后的满家坡滑坡表面和新鲜面颗粒微观结构参数，见表3。

表3 不同崩解循环后的满家坡滑坡表面和新鲜面颗粒微观结构参数Table 3 Microstructure characteristics of the particles on surface and fresh face of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide after different disintegration cycles

注：表中岩石矿物颗粒长度、周长均以SEM相片中像素单元长为单位，一张SEM相片包含1 024×884个像素。

3 试验结果与分析

3.1 红层细碎屑岩的耐崩解性

本文以表1中不同崩解循环后红层细碎屑岩各组岩样的剩余干质量(M0～M5)为纵坐标，以岩样R0～R5对应的崩解循环次数为横坐标作图，可得满家坡滑坡红层细碎屑岩各组岩样的剩余干质量随崩解循环次数的变化曲线，见图7。

图7 满家坡滑坡红层细碎屑岩各组岩样的剩余干质量随崩解循环次数的变化曲线Fig.7 Change curves of residual mass of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with the cycle times in disintegration

由图7可见，各试验组红层细碎屑岩岩样的剩余干质量随崩解循环次数的增加呈显著降低趋势，曲线折线在第1次崩解循环后出现了拐点，曲线前后斜率存在较明显的差异，表明在整个崩解过程中第1次崩解循环对岩样质量的减少起主要作用。

3.2 崩解过程中红层细碎屑岩的物质组成变化

本文以红层细碎屑岩的物质组成即碎屑组分、胶结物组分、黏土矿物组分三者的含量(质量分数)为纵坐标，以岩样R0～R5对应的崩解循环次数为横坐标作折线图，可得到满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样的物质组成随崩解循环次数的变化曲线，见图8。

图8 满家坡滑坡红层细碎屑岩岩样的物质组成随崩解循环次数的变化曲线Fig.8 Change curves of rock material composition of the red bed fine clastic rock samples from Manjiao landslide with cycle times in disintegration

由图8可以看出：

(1) 红层细碎屑岩岩样的碎屑组分含量随崩解过程的进行相对上升，且曲线在R0～R1段的斜率明显较后续过程高，即说明第1次崩解过程中岩样的碎屑组分含量升高最为显著。这一现象主要是由于岩石的碎屑组分联结程度高，在崩解过程中较难被剥离所造成的。

(2) 红层细碎屑岩岩样的胶结物组分含量在崩解过程中整体呈下降趋势，且曲线在R0～R1段的斜率下降明显，而后在一定范围内波动，反映出第1次崩解过程中岩样的胶结物组分含量变化最大的特征。这是由于在岩石崩解过程中，流体沿着颗粒间缝隙作用，部分胶结物被冲刷带走，但由于其粘连作用较强，故岩石的胶结物组分含量整体略有下降但幅度不大。

(3) 红层细碎屑岩岩样的黏土矿物组分含量在崩解过程中相对下降。这一特征一方面与黏土矿物本身易受水扰动，即其片状结构易被水分子破坏导致黏结强度下降有关；另一方面是由于黏土矿物多赋存于整体性较差的粒间填隙物中，为水动力作用的优先场所，而其相比于胶结物又较少与其他颗粒有较强的粘连作用，故分离剥蚀较明显[17]。

综上可见，红层细碎屑岩在崩解过程中的物质组分变化体现出胶结物和黏土矿物组分含量减少、碎屑组分含量相对上升的特点，该特征主要与不同物质组分在崩解过程中被流体剥离的难易程度相关。

3.3 崩解过程中红层细碎屑岩的微观结构变化

岩石的微观结构变化体现在单个矿物颗粒和岩石整体的微观结构变化两个方面，前者主要表现为岩石形态的变化，可用岩石表面颗粒长、短轴长度和球度R、磨圆度PS来刻画；后者主要表现为岩石孔隙的变化，可用孔隙率PO来衡量。

3.3.1 岩石矿物颗粒的结构变化

本文以红层细碎屑岩表面和新鲜面颗粒的长、短轴长度为纵坐标，以岩样R0～R5对应的崩解循环次数为横坐标，可得到满家坡滑坡红层细碎屑岩颗粒长、短轴长度随崩解循环次数的变化曲线，见图9。

图9 满家坡滑坡红层细碎屑岩颗粒长、短轴长度随崩解循环次数的变化曲线Fig.9 Change curves of long and short axis lengths of the particles of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由图9可见，红层细碎屑岩表面颗粒的长、短轴长度在崩解过程中变化明显、大小不一，总体呈起伏的波动状；而红层细碎屑岩新鲜面颗粒的长、短轴长度在崩解过程中基本保持一致，几乎不发生变化。

本文以红层细碎屑岩表面和新鲜面颗粒的球度R和磨圆度PS为纵坐标，以岩样R0～R5对应的崩解循环次数为横坐标作图，可得到满家坡滑坡红层细碎屑岩颗粒的球度和磨圆度随崩解循环次数的变化曲线，见图10。

图10 满家坡滑坡红层细碎屑岩颗粒球度和磨圆度随崩解循环次数的变化曲线Fig.10 Change curve of roundness and psephicity of the particles of the red bed fine clastic rock samples from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由图10可见，在原始状态R0下，红层细碎屑岩表面颗粒的球度R相较新鲜面颗粒明显偏低，磨圆度PS则较之偏大；在崩解过程中的R1～R5段，每一次崩解完成后，红层细碎屑岩表面颗粒的球度R相较于新鲜面颗粒均有下降，且下降幅度较为一致；红层细碎屑岩表面颗粒的磨圆度PS较之新鲜面颗粒略有上升，且上升幅度大体相近。此外，对于岩石新鲜面颗粒而言，其球度R、磨圆度PS在崩解过程中基本保持不变，说明岩石新鲜面颗粒基本不受崩解作用的影响。

综上可见，总体上红层细碎屑岩单个矿物颗粒在崩解过程中的微观结构体现出如下特征：①崩解过程中，岩石表面颗粒结构明显改变，岩石新鲜面颗粒结构基本不变；②崩解作用使岩石表面颗粒的球度R下降、磨圆度PS上升。

红层细碎屑岩表面颗粒和新鲜面颗粒的球度、磨圆度参数在崩解过程中的变化特征与岩石自身性质、崩解作用的特征和顺序密切相关。首先，岩石在崩解过程中，流体总是由外至内地对矿物颗粒进行侵蚀，内部颗粒所受的水动力作用明显小于表面颗粒，故岩石新鲜面颗粒的球度和磨圆度在整个崩解过程中均变动不大；其次，岩石在发生崩解前，即原始状态R0下，由于岩石表面直接与自然环境接触，经历长时间风化作用，岩石表面矿物颗粒发生机械破碎，导致棱角增多、粗糙度变大[18]，故R0的表面颗粒球度和磨圆度较之新鲜面颗粒分别偏小、偏大；此外，岩石在崩解过程中的R1～R5段，受水的冲刷作用，岩石表面的填隙物剥蚀、脱落，矿物颗粒出现缺口、破碎，形成V形坑、断口、破裂等[19]，故崩解过程各阶段岩石表面颗粒相对新鲜面颗粒球度R下降、磨圆度PS上升，但由于崩解作用时间较短且崩解时间相同，其影响程度有限，且此时进行崩解的岩石表面亦是前一阶段的新鲜面，故差异程度较R0较小且各崩解阶段的差异幅度基本相同。

3.3.2 岩石孔隙的变化

本文以红层细碎屑岩在崩解过程中孔隙率为纵坐标，以岩样R0～R5对应的崩解循环次数为横坐标作图，可得到红层细碎屑岩孔隙率PO随崩解循环次数的变化曲线，见图11。

图11 满家坡滑坡红层细碎屑岩孔隙率随崩解循环次数的变化曲线Fig.11 Change curves of porosity of the red bed fine clastic rock from Manjiapo landslide with cycle times in disintegration

由图11可见，在原始状态R0下，红层细碎屑岩表面的孔隙率略高于新鲜面，在崩解过程中的R1～R5段，岩石表面的孔隙率则明显高于新鲜面的孔隙率；对于岩石新鲜面而言，其孔隙率在崩解过程中的变化较小，基本保持不变。

结合红层细碎屑岩的崩解过程，原始状态R0下岩石处在自然风化环境中，受颗粒脱落、破碎等机械作用和矿物水解、重结晶等化学作用的影响，岩石表面的孔隙率较新鲜面偏大；在崩解过程中的R1～R5段，受崩解时的水动力作用，使岩石表面的矿物，特别是作为填隙物的胶结物、黏土矿物被剥蚀、脱落，进而导致岩石表面的孔隙率增大，且由于崩解时间相同，其增大幅度基本一致。而对于岩石新鲜面而言，由于崩解过程中几乎不受流体冲刷作用的影响，其孔隙率基本不变。

4 红层细碎屑岩遇水崩解的微观机理及其演化过程分析

基于上述红层细碎屑岩的耐崩解试验，并通过对不同崩解循环后红层细碎屑岩的物质组成和微观结构进行分析，认为红层细碎屑岩遇水崩解的微观机理及其演化过程如下：

(1) 红层细碎屑岩在成岩及地表的风化过程中造就了含较多粒间填隙物(即方解石、赤铁矿等胶结物和黏土矿物)的物质特征，并形成了原生及次生孔隙。相比于粒度更大、更为均一的石英、长石、云母等骨架颗粒而言，红层细碎屑岩粒间物质和孔隙的稳定性较差，易受各种机械和化学作用的影响而脱落。

(2) 在红层细碎屑岩崩解过程中，流体冲刷岩石表面导致颗粒间抗扰动能力较差的填隙物和胶结物最先脱落，并使得岩石表面的孔隙增大，在弱化了颗粒间联结力的同时使流体作用进一步增强，矿物颗粒开始出现破碎、脱落，最终使得岩石表面的石英等碎屑颗粒也被流体带走，见图12。

(3) 随着上述流体冲刷—填隙物和胶结物被剥蚀—孔隙增大—颗粒联结减弱—颗粒破碎剥蚀的反复进行，红层细碎屑岩逐步进行由外至内、逐层递进的崩解。这一过程在宏观上表现为岩石变小、质量下降；在岩石物质组成上表现为碎屑组分含量相对上升,胶结物组分和黏土矿物组分含量相对下降；在微观结构上则表现为岩石表面孔隙率PO相对新鲜面上升，且岩石表面颗粒的球度R、磨圆度PS相对新鲜面颗粒分别下降与上升。

图12 红层细碎屑岩的崩解演化过程Fig.12 Disintegration process of red bed fine clastic rocks

5 结 论

通过开展耐崩解试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验，本文对湖南省桑植县满家坡滑坡红层基岩即红层细碎屑岩在崩解过程中的微观机理及其演化过程进行了研究，得出以下主要结论：

(1) 红层细碎屑岩的耐崩解性较差，在5次循环耐崩解试验中，耐崩解性指数Id5值在35%～55%之间，且以第1循环的岩石质量下降最为明显。

(2) 红层细碎屑岩在崩解过程中的物质组成变化主要表现为石英、长石、云母等碎屑组分含量的相对增加和方解石、赤铁矿等胶结物组分以及高岭石、伊利石、蒙脱石等黏土矿物组分含量的相对减少。

(3) 红层细碎屑岩在崩解过程中微观结构的变化可通过岩石颗粒球度R、磨圆度PS和孔隙率PO等参数来反映。崩解过程中，岩石表面颗粒的球度R和磨圆度PS较新鲜面颗粒分别下降和上升；岩石表面的孔隙率PO经崩解后较新鲜面上升；岩石新鲜面的微观结构参数在崩解中基本保持不变。

(4) 红层细碎屑岩的崩解是一个由外至内的演化过程，岩石表层先进行崩解，岩石内部则几乎不受影响，而在这一过程中作为主要动力的是水的机械冲刷作用。红层细碎屑岩遇水崩解的微观机理及其演化过程表现为：流体冲刷使填隙物脱落、岩石表面孔隙增大、矿物颗粒联结力下降、颗粒破碎脱落这一系列过程，通过该系列作用的反复进行，最终导致红层细碎屑岩在宏观上崩解。