风化作用对彩色丘陵泥岩颜色变化的影响

王申宁， 刘 洁， 梁收运

(兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000)

彩色丘陵是发育在红层之上的丘陵状杂色岩石地貌,是近二十年才出现的地貌学名词,因其色彩缤纷而成为重要的旅游景观资源,并不断被开发为旅游景区。彩色丘陵是地质演化过程中内外动力综合作用的结果,其颜色是沉积物形成时的沉积环境及当时环境下的氧化—还原程度的真实反映[1-3]。颜色作为沉积岩最直观的标志,广泛运用于鉴别岩石、划分对比地层、揭示古气候、恢复古环境、寻找矿产等方面。自20世纪60年代以来,色度学方法对沉积物颜色的定量化分析逐渐得到应用,其中CIE1976L*a*b*色度空间是最常用的表色系统,使用亮度(L)、红度(a)、黄度(b)三个指标描述颜色[4]。对于沉积岩颜色的研究主要集中于岩石中所含染色物质——色素,如赤铁矿、粘土矿物、有机物、Mn等含量会使沉积物颜色发生变化[5-7]。沉积物的颜色是色素色和结构色共同影响的结果[8]，一些生物的颜色源于其体内的蛋白石、文石结构[9-10],有研究发现泥岩的颜色值与灰度信息维数和颗粒分布分形维数呈一定的负相关[11]。前人对岩石颜色的研究主要关注色素色,而对结构色的研究较少。

中国西北地区白垩系地层中发育彩色丘陵地貌,因气候干旱、缺少植被覆盖而长期暴露于地表，遭受风化侵蚀[12-13]。岩石的风化作用会改变其微观结构,导致岩石物理力学性质劣化,从而影响其工程性能[14]。目前岩石风化程度的划分多采用工程性质定性评价方法,从岩石结构、颜色、矿物成分、岩石破碎程度、掘进难易程度等方面综合分析来确定。因此,开展岩石色度测试与微观结构研究有助于进一步了解岩石颜色与风化作用的关系。本文从兰州猪驮山形成彩色丘陵的白垩系地层中,采集不同颜色泥岩的表层风化与内部新鲜样品,结合X荧光光谱(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)及色度测试,研究风化前后泥岩色度的变化规律,探讨风化泥岩与新鲜泥岩颜色差异原因,为彩色丘陵地貌旅游资源开发和古气候、古环境变化研究提供科学依据。

1 区域概况

猪驮山位于青藏高原东北缘的兰州盆地[15](图1)。该盆地是中生代中祁连隆起带东段发育的断拗山间盆地,基底主要是由下古生界及以前的变质岩和加里东期岩浆岩组成,其上继承了由侏罗纪盆地发展而成的早白垩世断陷盆地[16]。白垩系下统河口群发育紫红色夹灰绿、蓝灰色的杂色陆相碎屑岩,底部以砾岩或砂岩与下伏侏罗系享堂组及更老地层不整合接触,从下向上粒度由粗到细,其上被古近系橘红色砂泥岩不整合覆盖[16-17]。猪驮山处的河口群地层为一套杂色泥岩互层,形成了大面积的波状起伏的彩色丘陵地貌。

图1 区域地质简图(据文献[15]修改)

2 样品与分析方法

2.1 样品

样品采自猪驮山彩色丘陵发育的白垩系下统河口群一典型剖面(图2),地理坐标：103°24′58″E,36°14′49″N。彩色地层交互分布,变化明显,包含红—灰绿—黄和红—灰—红两个颜色循环。地层产状为55°∠55°,岩性主要为泥质岩。选择7个取样点,采集20 cm深处的结构致密岩石样品作为新鲜样品,对应采取表面结构疏松或破碎样品为风化样品,共14个样品。

2.2 分析方法

样品颜色先采用卡片比对法确定,然后采用三恩驰NH310色差仪测量,颜色系统选择CIE1976L*a*b*,测试光源为D65,测量口径选择8 mm,经白板校正后进行测试。采用两种方法对样品进行处理：①原状样品，即不破坏泥岩结构的情况下,选取平直表面进行色度测试；②粉末状样品，即将样品研磨为粉末状后放于白色参照版上,压平、压实后测试。

元素成分分析采用荷兰PANalyticalB.V公司生产的MagiX(PW2403)X-射线荧光光谱仪,元素测量范围从Be-U,浓度范围为0.1×10-6～100%,测量精度为0.1%～0.3%,X光管材料为铑(Rh),采用陶瓷绝缘,窗口由75 μm超薄防渗漏的铍(Be)制成。经过严格的样品预处理后,称取4 g左右粉末样,再利用压样机与固体硼酸压制成硼酸外壳的测试样,确定表面光滑、平整、无裂痕后,置入光谱仪进行测试。

图2 猪驮山采样点地质地貌情况

微观结构分析采用Apeo S型扫描电镜,获取不同放大倍数下的微观图像。观察前对样品进行预处理,在不破坏结构的情况下,选取表面较为平整和代表性样品,喷金60 s,利用导电胶将样品固定在底座上,增加样品导电性,提高成像效果。经过对比,选取放大倍数×6 000,实际平面图像面积为3 410 μm2的照片,采用PCAS软件对SEM图像进行分析[18-19]。

3 结果与分析

3.1 色度参数

3.1.1风化泥岩与新鲜泥岩色度参数的差异

对照标准土色贴观察样品,发现风化样品的色相均小于新鲜样品,而明度/色度则大于新鲜样品(表1)。对于原状样,风化样品的色度参数一般大于新鲜样品,L值变化范围为8.015～12.964,a值为0.375～3.565,b值为1.086～5.024(表2)。

沉积物的颜色是色素色和结构色共同影响的结果。为了探讨结构对泥岩颜色的影响,将样品研磨为粉末,使其结构完全破坏,仅考虑色素色的影响,比较保留结构的原状样与破坏结构的粉末样色度参数的差异。对于粉末样,风化样品的色度参数多小于新鲜样品,L值变化范围为0.17～1.622,a值变化范围为0.032～1.116,b值变化范围为0.094～3.4(表3)。

表1 标准色卡对比结果

原状样与粉末样相比,风化样品和新鲜样品色度参数的变化趋势不同,且原状样的变化较为明显,粉末样的变化较微弱。原状样保持了泥岩完整的结构,可反应风化泥岩和新鲜泥岩颜色的变化,色度参数L、a、b值在风化后有不同程度的增长,颜色向着更亮、更红、更黄的方向变化。

表2 原状样色度参数

表3 粉末样色度参数

对于仅考虑色素色条件的粉末样,风化样品与新鲜样品的色度参数变化较小,成分对泥岩颜色变化的影响较小,反映了样品经历的化学风化作用可能较弱。而同时考虑成分、结构条件的原状样色度参数变化较大,说明结构会对风化样品与新鲜样品的颜色差异造成影响。

此外,无论是新鲜样品,还是风化样品,粉末样的色度参数L值明显大于原状样,a、b值差异较小且无明显规律,说明泥岩颜色的变化会受到结构的影响。粉末样的结构完全被破坏,排列松散,光线照射更加充分,亮度增强。

3.1.2彩色泥岩色度参数的差异

以粉末状新鲜泥岩来分析,取样点1、2、6、7处红色泥岩L值为48.782～53.046,取样点3、4处绿色泥岩L值为60.538～65.348,取样点5处黄色泥岩L值为68.148,L值从小到大依次为红色、绿色、黄色；红色泥岩a值为7.4～10.558,绿色泥岩a值为-0.162～0.03,黄色泥岩a值为2.872,a值从小到大依次为绿色、黄色、红色；红色泥岩b值为8.328～16.452,绿色泥岩b值为6.462～7.92,黄色泥岩为17.794,b值从小到大依次为绿色、红色、黄色。可见不同颜色的泥岩色度参数有一定规律。

3.2 化学成分

所有样品主要由Si、Al、Fe组成(表4),共占泥岩化学成分的65%～75%,不同颜色的泥岩间成分变化较大,风化样品与新鲜样品对应的元素含量变化较小。其中致色成分Fe含量变化约0.8%,Mn变化量仅0～0.05%,Si含量变化约3%,Al、Ca含量变化约1%,其余元素含量变化在0.6%以内。风化样品与新鲜样品相比,除Na的含量大于新鲜样品外,其它主要元素含量变化复杂,无明显区别。总体看来,泥岩样品经历的化学风化作用较弱。

表4 样品主要元素含量(%)

3.3 微观结构

3.3.1微观结构的定性表述

选择取样点6观察风化样品与新鲜样品微观结构的变化。新鲜样品结构致密,表面起伏较小,仅有较少细微孔隙，样品表面在垂直、平行于层面时有两种不同的微结构形式。表面垂直层面时(图3-a),单元体以薄层片状和扁平状颗粒聚集体为主,表现为紊流结构,多为边—面、面—面及胶结接触；表面粗糙,颗粒起伏较大,总体看有一定的片状颗粒取向性。表面平行层面时(图3-b),单元体多以薄层平直片状颗粒堆叠,有时会发生卷曲,以面—面、胶结接触为主；颗粒起伏较均匀,相对平缓,定向性较垂直层面时不明显。风化样品结构松散,表面起伏较大,出现许多大小不一的孔隙,与新鲜样品的微观结构有明显的差异(图3-c)。单元体以片状、扁平状颗粒聚集体为主,表现为粒状堆叠结构,接触方式以点—面、边—面接触为主；颗粒大小混杂,排列不一,没有明显的定向性。

通过SEM照片的观察发现，样品微观结构在风化前后有明显区别,且在化学风化作用较弱的情况下,物理风化造成的结构变化是影响泥岩颜色变化的主要因素。

3.3.2微观结构的定量分析

为了研究风化样品与新鲜样品微观结构的变化,在前述基础上从孔隙大小、形状、排列等方面选取平均面积、形状系数和形态分形维数、概率熵和分布分形维数等统计参数[20-21],进行样品孔隙微观结构的定量分析。

(1) 孔隙平均面积。新鲜样品孔隙平均面积为0.45～0.81 μm2,风化样品为0.74～3.1 μm2，除取样点3外,风化样品的平均孔隙面积均大于新鲜样品(图4-a)。通过照片对比发现,相对于其他样品,取样点3处的风化样微结构单元体明显较小,新鲜样表面较完整,少有细小颗粒,其差异可能是由于取样点3处的风化程度弱于其他样品造成的。随着风化作用的进行,泥岩的表面发生变化,原先较平整光滑的表面破碎分解,开始出现许多孔隙与颗粒,且孔隙有增大趋势。

图3 新鲜与风化泥岩的SEM照片

(2) 孔隙平均形状系数。新鲜样品的孔隙平均形状系数为0.346 8～0.415 7,风化样品为0.385 1～0.438 5(图4-b)。在风化作用的影响下,孔隙的形状有变圆滑的趋势,平均形状系数越大,孔隙形状越圆滑,岩体越松散。

(3) 孔隙形态分形维数。新鲜样品的孔隙形态分形维数为1.129 7～1.198 8,风化样品为1.203 3～1.247 7(图4-c)。随着结构的松散,孔隙复杂程度逐渐升高,这与平均形状系数变化规律一致。

图4 新鲜样品与风化样品的孔隙微观结构变化

(4) 孔隙概率熵。新鲜样品的孔隙概率熵为0.957 4～0.987 3,风化样品为0.978 3～0.992 9,取样点1、3、4处变化较大(图4-d)。对比照片发现，平行层面观察时孔隙概率熵变化较小,垂直或与层面斜交时观察则变化较大，概率熵越大,孔隙排列越混乱。

(5) 孔隙分布分形维数。新鲜样品的孔隙分布分形维数为1.723 0～3.230 8,风化样品为1.354 2～2.085 5(图4-e)。在风化作用的影响下,孔隙排列混乱且较疏松。

3.3.3色度参数与孔隙微观结构的关系

对此泥岩色度与孔隙微结构参数的相关性发现(表5),色度参数中亮度L与平均形状系数的相关性相对较好,平均孔隙面积与色度参数的相关性较差,平均形状系数、形态分形维数、概率熵及分布分形维数与色度参数有一定相关性,反映泥岩颜色变化可能会受到形状、排列状态变化的影响。

表5 色度参数与孔隙微观结构参数的相关系数表

4 讨论

风化作用使岩石发生机械破碎和化学分解,对泥岩的成分、结构均发生影响。彩色丘陵多处于干旱气候区,化学风化作用普遍较弱,物理风化对岩石的作用更显著。新鲜岩体在上覆岩层的重力和构造运动的影响下,单元体按照一定方向排列成有序的微结构[22]。降雨等流水侵蚀使粘土矿物吸收水分,颗粒间的结合水膜增厚,降低分子间结合力,泥岩发生不均匀膨胀,水分蒸发后体积收缩,在干湿循环的过程中,泥岩受到拉应力作用,产生孔隙与裂缝。通过SEM照片的对比可看出，风化前后样品微观结构具有明显区别(图3)。风力、流水的冲击、切割会使泥岩表面形态进一步发生变化；同时水会与泥岩中的矿物发生溶蚀与次生作用,产生次生孔隙,降低泥岩的强度。与新鲜泥岩相比,风化泥岩孔隙的大小、形状及排列均发生了不同的变化。受风化作用的影响,原先较平整光滑的泥岩表面破碎分解,开始出现许多孔隙与颗粒,且孔隙有增大趋势；同时孔隙的形状也变得圆滑,复杂程度增加；原有的定向性被破坏,孔隙排列变得混乱且松散(图4)。

颜色是物体对光的反射被人体感知的结果,新鲜泥岩结构致密,表面相对平滑(图5-a),光线入射后按一定角度反射,经肉眼感知到相应的颜色；风化作用改造后,孔隙大小、形状及排列的变化,使泥岩的表面起伏变大(图5-b),随着反射面粗糙度的增加,双向反射分布函数单调下降,反射更加充分,亮度大幅度提升[23],亮度L值增加。因此,泥岩在风化后亮度L增长,且结构完全破坏的粉末样与原状样L值差异显著(表2、表3)。此外,色度参数中仅亮度L与平均形状系数的相关性相对较好(表5),其余几个参数相关性较差,说明孔隙形状的变化对泥岩表面粗糙度的作用要比其它结构参数更强。

新鲜泥岩以薄层片状颗粒堆叠为主,孔隙较小且形状不规则(图5-c)；在风化作用后,原先较为平整泥岩表面被破坏,孔隙增大,形状变得圆滑,下层结构暴露在新的孔隙中,层内不同致色粒子随机分布(图5-d),改变原有的体积光散射,泥岩的颜色发生变化[24],表现为红绿度a值和黄蓝度b值的增加。由于泥岩中Fe2O3含量远小于Al2O3、SiO2含量,红棕色地层颜色归因于赤铁矿,黄、灰色岩石归因于绿色粘土矿物(绿泥石、伊利石)[25],因此a值增长较小,b值增长较大。

图5 结构变化对泥岩颜色的影响

5 结论

(1) 对猪驮山彩色丘陵泥岩色度测试发现,结构的改变会对泥岩颜色变化造成影响,泥岩的色度参数L、a、b值在风化后有不同程度的增长,颜色向着更亮、更红、更黄的方向变化。彩色丘陵不同颜色泥岩的色度参数有一定规律,L值从小到大依次为红、绿、黄色系,a值从小到大依次为绿、黄、红色系,b值从小到大依次为绿、红、黄色系。

(2) 泥岩化学成分以Si、Al、Fe为主,不同颜色的泥岩间成分变化较大,风化样品与新鲜样品对应的元素含量变化较小,泥岩样品经历的化学风化作用较弱。样品微观结构在风化前后有明显区别,物理风化造成的结构变化是影响研究区泥岩颜色变化的主要因素。

(3) 孔隙的大小、形状、排列等结构参数在风化作用后均发生不同程度的变化,泥岩颜色变化可能受到形状、排列状态变化的影响,表面粗糙度和孔隙形状的变化可能是风化后泥岩色度参数增大的原因。

(4) 彩色丘陵多处于干旱地区,化学风化作用普遍较弱,物理风化对岩石的作用更显著,对这类以物理风化为主的岩石,颜色变化对风化程度有一定的指示意义。