火山岩风化程度的厘定——以黔西晚二叠世超基性岩和基性玄武岩为例

刘德成, 王卫东

(1.北京市地质矿产勘查开发集团有限公司,北京 100050; 2.北京市地质灾害防治研究所,北京 100120;3. 北京市京盛工程勘察有限公司,北京 102206; 4.中南大学土木工程学院,湖南 长沙 410075;5. 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学),湖南 长沙 410075)

0 引言

风化作用是引起岩石力学性能劣化的重要因素[1-2],在地质灾害评价与防治、水利水电工程勘察中发挥着重要作用,全风化或中—强程度风化都会引起岩质边坡力学性质(弹塑性、脆性、延性、流变性等)的降低[3-4],进而引发不良地质灾害。目前,地质学、地球化学、水利水电工程、矿山工程、建筑与土木工程等领域定量判断岩体(石)风化程度的方法主要包括力学参数分析法[5-7]、工程物探方法[8-13]和数学地质方法[14]。《GB 50218—94工程岩体分级标准》[5]提出了基于波速比(Kv)和风化系数(Kf)的岩石风化程度定量分类标准,但这两种分类标准都需要以获取新鲜岩石的纵波速度、饱和单轴抗压强度背景值为前提; 王晓峰等[7]采用常规量化指标饱和单轴抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)与标准贯入试验击数,建立了岩石风化程度的定量分类标准,但在试验中不同规格设备得到的标准贯入试验击数有很大差异性,实验结果精度差、离散性大; 邵长云等[8]通过钻孔超声波测试,将纵波与横波的速度换算成波速比来划分岩石的风化程度,但岩体节理裂隙的发育程度会直接影响岩体波速,在实际应用中很难取得理想效果。此外,岩石力学参数测试普遍存在过程复杂、周期长、经济成本高、应用范围局限等问题[15-16],而岩石样品的主成分测试相对简单,且部分元素的地球化学指标具有广泛的适用性,通过构建不同化学风化指标与岩石风化程度的关系,利用多项指标评价并划分岩石风化程度,对不良地质灾害的评估与防治工作具有实用意义。

化学风化指标的原理基于当新鲜岩石遭受风化淋滤后,其化学组分理论上会发生相应变化,被广泛应用于岩石风化程度的评价研究[1,17-21]。本文着重评述了在以往研究中被认为能较好反映火山岩风化程度变化的12种化学风化指标的优点及其使用上的局限性,并引入了岩石氧化因数Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO))[22-26]划分判定了黔西晚二叠世超基性岩和基性玄武岩的风化程度,进而用该指标与12种化学风化指标做散点交会,评价这12种指标在超基性岩和基性岩风化程度判定中的适用性。研究可为超基性岩和基性玄武岩岩质地区不良地质灾害调查、评价与防治提供科学依据,为中性岩和酸性岩风化程度的划分提供新思路和新方法。

1 常用化学风化指标及其适用性

自20世纪20年代以来,国内外学者已提出了30多种化学风化指标[1,4,19,27-50],大多数指标都以全岩化学成分的测试分析为基础,多以沉积岩和岩浆岩为研究对象,不同化学风化指标都有其优点和使用的局限性。本文着重评述了在以往研究中被认为适合用于岩浆岩风化程度评判的风化指数,包括铝-铁镁指数(Al-Fe Mg,A-FM)[4]、修订过的风化潜力指数(modify weathering potential index,MWPI)[29]、帕克风化指数(weathering index of Parker,WIP)[31]、科尔曼风化指数(weathering index of Colman,WIC)[32]、化学蚀变指数(chemical index of alteration,CIA)[33]、碱-铝指数(basicity aluminium index, BA)[34]、原生矿物蚀变指数(mineralogical index of alteration,MIA)[38]、烧失量(loss on ignition ,LOI)[39-40,45]、风化潜力指数(weathering potential index,WPI)[41]、风化指数(weathering index,W)[42]、花岗岩风化指数(weathering index of gra-nite,WIG)[44]、玄武岩风化指数(basalt weathering index,BWI)[48]等12种化学风化指标的优点及其使用局限性。

彭晋[4]基于不同风化阶段(除极端风化程度外)呈高度不溶性三价态的Fe3+富集与Al富集具有一致性,而二价态的Fe2+和Mg的活动性较强的特点,提出了风化指数A-FM,该指数对峨眉山玄武岩风化程度的变化敏感性显著,更适用于判定风化前期玄武岩的风化程度; Reich[29]提出的MWPI可以很好地表征玄武岩剖面的风化程度,表现为从新鲜玄武岩、半风化玄武岩到土壤的MWPI值逐渐减小,但该指标不适用于黑色页岩和沉积碎屑岩风化程度的评价; Parker[31]通过计算硅酸岩中碱金属和碱土金属元素在风化产物中所占的比例,提出用WIP评价硅酸岩风化强度,但碱金属和碱土金属元素在强风化情况下会严重流失,显然不适用于评价风化程度较高的岩石; WIC由Coleman[32]以风化过程中活动性元素的氧化物(Na2O、K2O、CaO、MgO)和不活跃元素的氧化物(Al2O3、Fe2O3、TiO2)的摩尔比值来定义,随风化程度的增高WIC值减小,该指标对酸性花岗岩较为敏感,不适合含碎屑和自生方解石的沉积岩的风化评价; Nesbitt等[33]基于加拿大古元古代花岗岩-辉石岩等化学组成相对均一的岩浆岩的风化研究,以不活跃元素的氧化物Al2O3和活动性元素的氧化物Na2O、K2O和CaO的摩尔比值来定义化学蚀变指数CIA,其值随风化程度的增高而增大,其应用前提是风化母岩的化学组成相对均一; Harnois[34]提出的碱-铝指数BA是易溶组分碱金属、碱土金属元素与相对稳定元素Al的比值,该指数应用的前提是假设风化过程中Al不活跃,但在实际风化过程中该条件很难满足,适用于母岩化学组分均匀的岩石风化程度的判定。Voicu等[38]提出的指示原生矿物蚀变程度的指标MIA=2×(CIA-50),克服了CIA指标的取值范围局限于50～100之间的不足,但存在和CIA指标同样的使用限制。

Irfan[39-40]对香港风化火山岩特征的研究表明,WPI和LOI等指标能较好地指示火山岩和花岗岩风化程度的变化。但Duzgoren等[51]在对同一地区火山碎屑岩化学风化指数的评估中注意到LOI与某滑坡酸性火山碎屑岩风化程度之间的相关关系很差。此外,徐则民等[45]在峨眉山玄武岩风化程度评价中注意到当风化程度较低时,LOI对风化程度的指示性较差,在风化中后期,风化程度越高,LOI越大。因此,LOI适合风化中后期,而不适用于风化初期的玄武岩风化程度评价。Price等[41]提出的风化潜力指数WPI对于玄武岩风化程度的变化更敏感,随着玄武岩风化程度的加深,WPI的变化比WIP、PI、SA、STI更显著,但不适用于沉积岩风化程度评价。Ohta等[42]基于基性岩、中性岩、酸性岩及其风化产物的化学组成建立的风化指数W,适用于化学组成不均一岩浆岩的风化程度的判定; Gong等[44]基于花岗岩风化过程提出的风化指数WIG,其计算不需要CO2含量的数据,为依据全岩主量元素数据判定岩石风化程度提供了可能; 王卫东等[49]提出了玄武岩化学风化指数BWI,并与常用的CIA、WPI等18种化学风化指标比较,发现该指标在对基性玄武岩风化程度的判别中单调性更为显著。

2 岩石氧化因数的常见表达式

岩石遭受物理作用和化学风化作用的改造使得低价态的Fe2+被氧化为高价态的Fe3+,Fe3+快速水解氧化成Fe(OH)3,再经过脱水形成Fe2O3,而硅酸盐中的Al3+被水解成Al2O3胶体,风化的最终产物为铝土矿,岩石遭受以水化作用为主的化学风化作用的结果必然造成Fe3+和Al3+的富集,Fe2+减少[25-26,52-54]。因此,岩石中铁的氧化物Fe2O3、FeO的含量及两者比值可以反映岩石的氧化程度及相关信息。

用以评价岩石氧化程度的指标一般称为氧化率、氧化度、氧化系数,计算表达式见表1。本文对岩石氧化程度的计算沿用Matthews[55]提出的计算表达式Fe2O3/(Fe2O3+FeO),称为氧化因数,变量符号为Xo。

表1 岩石氧化程度指标Tab.1 Indicators forevaluating the rock oxidation degree

3 现存问题与风化岩石下限参考标准

3.1 现存问题

尽管岩石氧化因数是判断岩石风化程度的一项重要参数,但国内将其应用于火山岩氧化程度或风化程度的实践较少。黄建霞[57]在厦门港湾氧化还原沉积环境的划分研究中根据Fe3+/Fe2+值,粗略划定在强氧化环境区Fe3+/Fe2+值高于1.5,弱氧化环境区Fe3+/Fe2+值介于0.8～1.5。单玄龙等[58]应用该标准计算了松辽盆地营城组陆上氧化环境火山岩的氧化比(Fe3+/Fe2+)高于0.8。该指标的不足之处是没有考虑火山岩与沉积岩在形成条件、发育环境、分布规律等方面的显著差异,划分沉积物氧化程度的临界标准并不适用于由火山作用形成的火山岩。

根据Le Maitre[56]的数据,本文统计了钙碱性系列火山岩(拉斑玄武岩、玄武岩、安山岩、英安岩、流纹英安岩和流纹岩)的氧化因数平均值(表2),发现在同一氧化还原环境中,不同岩浆酸度火山岩的Xo值和Fe2O3/FeO值差异较大,表现为岩浆酸度越高,火山岩氧化因数Xo越高(表2),即火山岩Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值或Fe2O3/FeO值与岩浆酸度存在正相关。因此,根据黄剑霞[57]和单玄龙等[58]采用传统方法构建的标准,不能对不同岩浆性质火山岩的氧化程度或风化程度进行有效的判别。

表2 钙碱性系列火山岩氧化因数Xo平均值统计结果[56]Tab.2 Average value of rock oxidation factor Xo for calcalkaline series volcanic rocks[56]

3.2 风化岩石下限参考标准

前述表明,在应用火山岩氧化因数Xo判断火山岩氧化程度或风化程度时,针对超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩应选取不同的下限标准。Matthews[55]利用Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值对一些在风化作用中易受影响的氧化物,如CaO,MgO,K2O和H2O的含量进行投图,表明风化的玄武岩常表现出Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值增大的特点,若氧化物Fe2O3/(FeO+Fe2O3)值大于0.55,玄武岩就不能被视为新鲜的岩石。因此,本文中风化玄武岩的氧化因数Xo下限标准取值0.55(图1)。

图1 基于氧化因数Xo的不同酸度火山岩风化岩石与新鲜岩石下限标准Fig.1 Lower limit standards for weathered and fresh volcanic rocks with different acidity based on oxidation factor Xo

由于本文的实例研究中还涉及到超基性岩,结合Le Maitre[56]和何衍鑫等[59]的研究成果,计算统计超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩弱氧化环境(即微风化岩石与新鲜岩石)判定下限标准,当超基性岩氧化因数Xo值大于0.44(图1),不能被视为新鲜的岩石。

4 黔西晚二叠世玄武岩风化程度的厘定

4.1 分析方法与数据获取

本文以郭靖[60]取自黔西不同风化层的6件晚二叠世超基性岩样品和3件基性玄武岩样品为研究对象,9块样品氧化因数Xo与12种化学风化指数的计算结果见表3。结合图1构建的超基性岩和基性岩氧化因数Xo的下限标准,以及郭靖[60]文章中的定性描述和基于可拓学定量评价的风化成果,定量判定岩石样品风化程度。

表3 黔西超基性岩和玄武岩氧化因数Xo与化学风化指数计算结果Tab.3 Calculation results of oxidation factor Xo and chemical weathering index of ultrabasic rocks and basalts in Western Guizhou Province

4.2 玄武岩风化程度的厘定

9块样品中,样品1#和2#取自弱风化层,样品3#和4#取自中风化层,样品5#、6#和7#取自强风化层,样品8#和9#取自全风化层。样品的主成分测试结果[60]显示,SiO2和FeO的含量随超基性岩和基性玄武岩风化程度的加深呈显著减小的趋势,而Fe2O3和Al2O3的含量随超基性岩和基性玄武岩风化程度的加深呈显著增加的趋势(图2),证实风化作用会造成Fe2O3和Al2O3富集,FeO减少,表明引入氧化因数Xo评价玄武岩风化程度是科学合理的。

图2 9块样品随风化程度的变化其主要氧化物含量变化趋势[60]Fig.2 Change trend of main oxide content of 9 samples with the change of weathering degree[60]

统计结果表明,6件超基性岩和3件基性玄武样品的Xo值介于0.36～0.98(图3),以本文确定的下限标准,结合郭靖[60]的定性分析结果,将黔西地区晚二叠世超基性岩和基性玄武岩风化程度的划分标准确定为: 氧化因数Xo≤0.44、(0.44,0.58]、(0.58,0.72]、(0.72,0.86]和>0.86,依次对应超基性岩的新鲜岩石、微风化岩石、中风化岩石、强风化岩石和全风化岩石; 氧化因数Xo≤0.55、(0.55,0.66]、(0.66,0.77]、(0.77,0.88]和>0.88,依次对应基性玄武岩的新鲜岩石、微风化岩石、中风化岩石、强风化岩石和全风化岩石(图3)。

图3 9块样品氧化因数Xo分布与风化(氧化)程度划分[60]Fig.3 Distribution of oxidation factor Xo distribution and classification of weathering (oxidation) degree in 9 samples[60]

4.3 12种化学风化指标的适宜性评价

将表3中的岩石氧化因数Xo和12种化学风化指标做散点交会,评价其对超基性岩和基性岩风化程度划分研究的适用性。9件样品氧化因数Xo与WIP(图4(a))、MWPI(图4(b))、WIC(图4(c))、WPI(图4(d))、WIP(图4(e))、BA(图4(f))指标散点交会的相关性表明,对于未风化岩石(样品1#、2#)和微风化—中风化岩石(样品3#、4#),两者无明显敏感性和单调性; 但对中强风化岩石(样品5#、6#)和全风化岩石(样品7#、8#、9#),两者呈显著负相关。说明这6种化学风化指标均不适宜风化初期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价,仅适合于风化中后期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价。

9件样品的氧化因数Xo与CIA、BWI、MIA、W、A-FM、LOI指标散点相关性表明,CIA(图4(g))、MIA(图4(i))和W[4](图4(j))这3种指标在未风化岩石(样品1#、2#)和微风化—中风化岩石(样品3#、4#)中与氧化因数Xo呈显著负相关,在中强风化(样品5#、6#)和全风化(样品7#、8#、9#)岩石中与氧化因数Xo呈显著正相关。表明这3项化学风化指标也不适用于风化初期玄武岩风化程度的评价,对风化中后期玄武岩风化程度反应敏感。BWI(图4(h))、A-FM(图4(k))、LOI(图4(l))这3种指标在新鲜岩石到全风化岩石中与氧化因数Xo均表现出显著正相关,既适合风化初期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价,也适合风化中后期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价。

(a) WIP (b) MWPI (c) WIC图4-1 9块样品氧化因数Xo与12种化学风化指标散点图Fig.4-1 Scatter plot of the oxidation factor Xo and 12 chemical weathering parameters of 9 samples

5 结论

(1)引入岩石氧化因数Xo(Xo=Fe2O3/(Fe2O3+FeO)作为岩石风化程度的评价指标,建立超基性、基性、中性和酸性火山岩的新鲜岩石与风化岩石下限判别标准,厘定了黔西晚二叠世6件超基性岩和3件基性玄武岩样品的风化程度,构建了基于岩石氧化因数的新鲜岩石、微风化岩石、中风化岩石、强风化岩石和全风化岩石的定量判定标准。

(2)岩氧化因数Xo与以往研究中被认为能较好反映火山岩风化程度变化的12种化学风化指标(A-FM、MWPI、WIP、WIC、CIA、Ba、MIA、LOI、WPI、W、WIG、BWI)做散点交会,得出BWI、A-FM、LOI这3项指标既适合于风化初期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价,也适合风化中后期超基性岩和基性玄武岩风化程度的评价,其余9种指标仅对风化中后期超基性岩和基性玄武岩的风化程度反应敏感。