川西泸定昔格达地层黏土岩工程地质特性研究.pdf
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1、引文格式:李祥,吴瑞安,郭长宝,等.川西泸定昔格达地层黏土岩工程地质特性研究J.西北地质,2024,57(2):262274.DOI:10.12401/j.nwg.2023164Citation:LI Xiang,WU Ruian,GUO Changbao,et al.Engineering Geological Characteristics of Xigeda Formation Clay-stone in Luding County,Western SichuanJ.Northwestern Geology,2024,57(2):262274.DOI:10.12401/j.nwg.202
2、3164川西泸定昔格达地层黏土岩工程地质特性研究李祥1,2,吴瑞安1,3,*,郭长宝1,3,倪嘉伟1,王炀1,3,李彩虹1,宋德光1(1.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉430074;3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京100081)摘要:昔格达地层作为一类特殊的半成岩,具有“见风成粉,遇水成泥”的特性,是工程地质问题与地质灾害的良好孕生载体。以川西泸定海子坪昔格达地层黏土岩为研究对象,通过 X 射线衍射、电镜扫描、现场与室内岩土测试,分析了其物质组成、微观结构及力学特性,重点研究水作用下其物理力学性质的变化规律,并与其他
3、地区昔格达地层工程地质特性进行比较分析。研究表明:海子坪昔格达地层黏土岩主要成分为粉细砂、黏土等细粒物质,由薄层黄色和灰色的黏土岩互层产出,具有近水平层理构造。黄色和灰色黏土岩的物质组成相同,但占比不同,黄色黏土岩的黏粒含量比灰色黏土岩高约 12%,方解石含量少约 10%,黄色黏土岩的结构更为致密,黏 粒 间 胶 结 作 用 更 强。海 子 坪 昔 格 达 地 层 黏 土 岩 现 场 实 测 渗 透 系 数为 3.621047.34104 cm/s,介于其他地区昔格达地层的黏土岩类砂岩类之间,这与其天然节理发育、受扰动极易开裂的特性密切相关。黄、灰色黏土岩的黏聚力均随含水率增加而降低,且含水率
4、越高,降幅越大,内摩擦角与含水率的关系则表现有所不同。不同地区昔格达地层的力学特性对含水率变化的敏感性具有明显差异,其中泸定海子坪昔格达地层黏土岩的水敏性最为显著。关键词:昔格达地层;黏土岩;微观结构;工程地质特性;川西地区中图分类号:P588文献标志码:A文章编号:1009-6248(2024)02-0262-13Engineering Geological Characteristics of Xigeda FormationClaystone in Luding County,Western SichuanLI Xiang1,2,WU Ruian1,3,*,GUO Changbao1,3
5、,NI Jiawei1,WANG Yang1,3,LI Caihong1,SONG Deguang1(1.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Engineering College,China University ofGeosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei,China;3.Key Laboratory of Active Tectonics and Geological Safety,Ministry of Natur
6、alResources,Beijing 100081,China)Abstract:The Xigeda Formation is a special semi-diagenetic,which has the characteristics of wind-inducedpowder,water-induced mud,and is a good carrier for engineering geological problems and geological hazards.收稿日期:2023-04-24;修回日期:2023-08-25;责任编辑:贾晓丹基金项目:国家自然科学基金项目“构
7、造缝合带蚀变软岩强度劣化效应及其对巨型滑坡的控滑机理”(42207233),中国地质调查局项目“全国重大工程地质安全风险区划与综合评价”(DD20221816),国家重点研发计划项目课题“地质灾害云-端协同智能预警系统构建与示范应用”(2021YFC3000505)联合资助。作者简介:李祥(1997),男,硕士研究生,从事工程地质与地质灾害方面的研究。Email:。*通讯作者:吴瑞安(1991),男,博士,副研究员,从事工程地质与地质灾害方面的研究。Email:。第 57 卷 第 2 期西 北 地 质Vol.57No.22024 年(总 234 期)NORTHWESTERN GEOLOGY20
8、24(Sum234)In this study,the yellow and gray claystone of the Xigeda Formation in Haiziping Village,Luding County,west-ern Sichuan was investigated.Its material composition,microstructure,and mechanical properties were ana-lyzed by X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),field and la
9、boratory geotechnical tests.The variation law of its physical and mechanical properties under the action of water is emphasized,and the en-gineering geological characteristics of the Xigeda Formation are compared and analyzed with those in other re-gions.Based on the above research,some conclusions
10、are as follows.The Xigeda Formation claystone inHaiziping Village is mainly composed of fine sand,clay,and additional fine-grained materials.It is produced byyellow and gray thin layers interbedding and has a horizontal lamination structure.Yellow and gray claystonehave the same material composition
11、,but material proportions are different.The clay content of yellow claystoneis 12%higher than that of gray claystone,and the calcite content is 10%inferior.The microstructure of yellowclaystone is denser and cemented with clay particles more strongly.The permeability coefficient measured onthe site
12、of Xigeda Formation claystone in Haiziping Village is 3.627.34104 cm/s,which is between clay-stones and sandstones in Xigeda Formation in other regions.The characteristic of its permeability is closely re-lated to the development of natural joints and the characteristic of cracks that is susceptible
13、 to disturbance.The cohesion of yellow and gray claystone decreased with the increase of moisture content,and the higher themoisture content,the greater the decline,but the relationship between internal friction angle and moisture con-tent was different.The mechanical properties of the Xigeda Format
14、ion in different regions and lithology haveobvious differences in sensitivity to moisture content changes,among which the mechanical property weaken-ing by the water of the Xigeda Formation claystone in Haiziping Village,Luding County is the most significant.Keywords:Xigeda Formation;claystone;micro
15、structure;engineering geological characteristics;WesternSichuan昔格达地层(NQx)是出露于中国西南地区的典型晚新生代地层,以四川省盐边县红格乡昔格达村命名,主要分布在金沙江、大渡河、安宁河等干流和支流河谷、断裂谷以及侵蚀洼地中(蒋复初等,1999;Kong etal.,2009;Deng et al.,2020;施云云,2020)(图 1)。昔格达地层主要由黏土、粉砂和细砂等细粒组分构成,具有水平层理构造,是一种介于土体与岩体之间的特殊地质体,大多数学者将其归为半成岩(刘惠军等,2004;徐则民等,2011;Du et al.,2
16、020)。该套地层具有不良的工程地质特性,是工程地质问题和地质灾害的有利孕生载体(陈林等,2015;Ding et al.,2017;Xue et al.,2018;周平等,2020)。例如,成昆铁路在隧道施工穿越昔格达地层时,隧道发生拱顶沉降、基地下沉、局部浸湿失稳、边坡滑塌等问题(Zhou et al.,2021);四川汉源中海村昔格达地层滑坡中断了 S360 省道,造成 7 人死亡 2 人失联和 8 栋民房被毁(徐奕梓等,2022)。目前,已有不少学者对中国四川渡口、攀枝花、西昌、冕宁、汉源、云南寨子村等西南地区的昔格达地层的物质组成、微观结构、物理力学特性等方面开展了大量研究,研究结果
17、表明:不同地区昔格达地层矿物组成与成分差异性较大,反映出不同地区昔格达地层沉积环境、物源及形成时代等存在差异(王思敬等,1990;李小泉,1996;孟庆会,2011)。昔格达地层黏土岩具有较强胶结结构特征,遇水强度陡然下降的原因之一是土体内黏土矿物结构被破坏(Du et al.,N0 25 km昔格达地层大渡河岷江雅江成都泸定汉源康定雅砻冕宁乐山宜宾普雄江雅江 西昌金沙江昭通米易攀枝花寨子村中江街布托禄劝撒营盘吴摆渡研究区域图1昔格达地层分布示意图Fig.1Distribution of Xigeda Formation第 2 期李祥等:川西泸定昔格达地层黏土岩工程地质特性研究263 2020
18、;Yang,2021;Fu et al.,2022;卢 志 鹏 等,2022)。昔格达地层水理特性与其黏粒含量有着密切关系,黏粒含量越高,其液限越大,抗渗性越好(彭盛恩,1986;孟庆会,2011)。天然条件下昔格达地层具有良好的自稳性,受水影响显著,当含水率超过敏感界线时,强度陡然衰减(彭盛恩,1986;文丽娜等,2005;张威等,2011;安少鹏等,2013;周罕等,2014;Du et al.,2020)。相比川南、攀西等地区的昔格达地层而言,关于川西泸定地区昔格达地层工程地质特性的研究鲜有报道。笔者以四川省泸定县海子坪昔格达地层黏土岩为研究对象,基于 XRD 测试、电镜扫描等测试,分析
19、其物质组成和微观结构特征;通过现场渗透试验、室内力学试验,研究其水理特性与力学特性,并与国内其他地区昔格达地层对比分析,对深化川西地区昔格达地层研究与支撑当地防灾减灾具有一定参考价值。1川西泸定昔格达地层发育特征四川省泸定县海子坪地处大渡河右岸,共发育七级阶地,昔格达地层发育于 T3 阶地以上,出露厚度约440 m,为国内现今发现的昔格达地层沉积最厚的剖面(图 2、图 3)。以昔格达地层为基座的 T4T7 阶地,拔河高度分别为 770 m、820 m、880 m、930 m。在大渡河河谷处发现 T1T3 阶地,拔河高度分别为 10 m、50 m、100 m,其中 T4 与 T3 阶地相对高差达
20、 670 m。泸定县城甘草村干海子小海子海子坪大渡河木角沟SS02S03N0250 mS1地层出露点渗透试验点现场取样点康定泸定343760707556372920 km0 10石棉汉源海子坪二郎山贡嘎山大渡河NH=1 800 mH=2 225 mH=1 300 m图2泸定海子坪昔格达地层分布图(影像据 Google Earth)Fig.2Distribution of Xigeda formation in Haiziping village,Luding county(Image from Google Earth)海子坪昔格达地层由黄色和灰色两种黏土岩互层产出(图 4),该套地层底部发育
21、一定厚度的角砾与碎块石层,与下伏基岩呈角度不整合接触。受构造运动 影 响,昔 格 达 地 层 整 体 向 西 倾 斜,倾 角 约 为1020,局部可达 30左右(蒋复初等,1999)。受植被、风化剥蚀、人类工程活动等因素影响,海子坪昔格达地层露头条件连续性较差,仅在小海子、干海子等多处零星出露。现场调查发现,该套地层中发育较多的浅层滑坡和坡面泥流。在强降雨条件下,部分滑坡失稳后可能顺着沟道运动,并迅速转化为泥石流,对沟口造成一定危害(宋德光等,2023)。0T1T2T3T4T5T6T7SE角砾、碎块石大渡河砂砾、卵砾石昔格达组花岗闪长岩高程(m)5 km2 3002 2002 1002 000
22、1 9001 8001 7001 6001 5001 400取样点图3大渡河海子坪河流阶地剖面图Fig.3Terrace profile of Dadu River in Haiziping Village264西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年在昔格达地层的成因机制方面,目前已提出的主要有冰湖沉积、断陷湖泊沉积、堰塞湖沉积、泛湖期大湖沉积、山间盆地等(蒋复初等,1999;陈智梁等,2004;王书兵等,2006;王萍等,2011;施云云,2020;罗璐,2021),泸定海子坪昔格达地层的成因机制主要有断陷盆地成因和堰塞湖成因两种认识(蒋复初等,1999;陈智梁等,20
23、04)。野外调查表明,大渡河流域泸定-得妥段大型-巨型古滑坡较为发育,且多具有历史堵江特征(吴俊峰等,2011;Wu et al.,2019),因而认为泸定海子坪昔格达地层极有可能是古滑坡堰塞湖沉积物。在其形成年代学研究方面,不同学者采用古地磁、光释光、ESR、宇生核素等多种测年技术测得的年龄跨度较大(蒋复初等,1999;王书兵等,2006;王萍等,2011;施云云,2020;罗璐,2021)(表 1)。表 1 泸定海子坪昔格达地层测年方法及结果统计Tab.1The dating methods and statistical results of the Xigedaformation in
24、 Haiziping village,Luding county测年方法测试年龄(Ma)数据来源古地磁4.202.60蒋复初等(1999)、王书兵等(2006)光释光1.781.13罗璐(2021)ESR0.700.40王萍等(2011)宇生核素1.040.53施云云(2020)2矿物成分与微观结构 2.1矿物成分分析在泸定海子坪 T4T6 阶地出露的昔格达地层中分别采集黄色和灰色黏土岩样品(图 4),并开展 X 衍射测试(XRD)和电镜扫描(SEM)等测试,分析其矿物成分和微观结构。结果表明,两种土样的矿物成分相同,均以石英和黏土矿物为主,含少量斜长石、方解石、钾长石、菱铁矿和角闪石等矿物(
25、图 5,图 6)。各矿物占比明显不同,黄色黏土岩中的黏土矿物含量比灰色黏土岩高 12%,方解石含量少 10%,表明黄色黏土岩沉积时期风化作用更强烈,处于暖湿气候环境(罗运利等,1998)。此外,黄色和灰色黏土岩中黏土矿物成分均以伊利石为主,占比分别高达 93%和 89%,蒙脱石和绿泥石含量较少(表 2)。2.2微观结构特征与分析根据黄、灰色黏土岩天然状态下的 SEM 图像可知,黄色黏土岩结构较致密,成分主要为碎屑岩颗粒和填充物。碎屑岩颗粒以石英为主,粒径 1025 m,沿碎屑岩颗粒边缘分布自生黏土矿物集粒。填充物以伊利石和胶结物为主,含少量绿泥石。伊利石呈片状镶嵌于碎屑粒间孔隙,粒径 36 m
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