矿物成分_特征地球化学组分对水在_省略_指示意义_以三峡库区大型滑坡为例_文宝萍(1)

第14卷第6期2007年11月

地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)

Earth Science Frontiers (China University of Geosciences ,Beijing ;Peking University )Vol .14No .6

Nov .2007

收稿日期:2007-05-30;修回日期:2007-10-10

基金项目:国家自然科学基金项目(0472135);国土资源部“三峡库区滑坡塌岸防治专题研究”项目(三峡库区地质灾害防治二期科研项目)作者简介:文宝萍(1962—),女,教授,博士生导师,工程地质专业,长期从事地质灾害研究。E -mail :wenbp @cugb .edu .cn

矿物成分、特征地球化学组分对水在滑带形成中

作用的指示意义:以三峡库区大型滑坡为例

文宝萍1

,　陈海洋

2

1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083

2.湖北省地质灾害防治工程勘查设计院,湖北荆州434000

Wen Baoping 1,　Chen H aiyang 2

1.S chool o f Water Resources and Envir onment ,C h ina University o f Geosciences (Beij ing ),B eijin g 100083,Ch ina

2.H ubei Institute o f Geo logical Haz ar d I nvestig ation ,Jing zhou 434000,C h ina

Wen Baoping ,Chen Haiyang .Mineral compositions and elements concentrations as indicators for the role of groundwater in the development of landslide slip zones :a case study of large -scale landslides in the Three Gorges area in China .Earth Science Fron -tiers ,2007,14(6):098-106

Abstract :Reduction of shear streng th in landslide slip zo ne is one of the fundamental mecha nisms for landslid -ing .T he causes o f decrea se in shea r streng th in landslide slip zones are keys to the under standing of landslide mechanism and to the prediction of landsliding ev ents .G roundw ater within slo pe is know n to play an impo rtant ro le in reducing shea r st reng th in la ndslide slip zones during the development of landsliding phy sical and chemi -cal interactio ns w ith solid pha ses in the slip zones .In this paper ,w e repo rt the results of a ca se study that sho ws the r ole o f gr oundwa te r during the deve lopment of la ndsliding .T he phy sical and chemical effects of g roundw ater in r educing shea r streng th in the se slip zones may be evalua ted by examining the v ariations of mineral compositions and majo r e lements within the slip zones and sur rounding a reas .T he cha racteristics of mineralogy and geo chemistr y of two larg e -sca le landslides in the T hree G o rges area ,China ,the N o .1Linjiang landslide at H uang tupo and the Xie tan landslide ,reveal tha t these slip zo ne s dev eloped along pre -existing weak zo nes within the slo pe s .Par ticular ly ,minerals and elements that are r eactive w ith g roundw ater w ithin the landslides indicated tha t gr oundwa te r within the slip zone of the N o .1landslide at Huangtupo is recharg ed by rainfall ,which caused oxidation within the slip zo ne .T he shear strength reduction in the slip zo ne co uld have resulted fro m phy sical and chemical pr ocesses involving hy drolyses ,arg illation o f ma rls frag ments ,dissolution of calcite ,and transfo rmation of illite to inter laye red illite and smectite .In co ntr ast ,g ro undwa te r in the slip zo ne o f Xietan landslide has little rainfall component .Consequently ,reduction is ov erw helming ,and shear streng th dec rease in the slip zone during its developme nt wa s la rge ly caused by chemical w eathe ring of feldspar and tr ansfo rmatio n o f illite to interlayer ed illite and smectite .

Key words :landslide -slip zone ;interactio n be tween r ock (soil )and g roundw ater ;mine ral composition ;geo -chemical char acte ristics ;shear str eng th

摘　要:弄清滑坡滑带抗剪强度降低的根本原因是滑坡形成机理研究和滑坡活动趋势预测的主要内容

之一。水是滑带形成过程中导致其抗剪强度衰减的最活跃因素之一。三峡库区两个大型滑坡实例分析显示,滑带及其周围岩土矿物成分、地球化学成分的变化特征指示滑带形成与水-岩(土)物理、化学作用的方式及作用程度,从而证实矿物学、地球化学研究方法和理论是揭示滑带抗剪强度降低内在机理的有效途径之一。三峡库区黄土坡滑坡临江I#崩滑体和泄滩滑坡滑带土及其周围岩土矿物学、主量化学元素的含量变化特征指示:前者滑带形成过程中,滑带部位地下水因大气降水补给、地下水的氧化作用活跃,导致滑带土抗剪强度减低,其主要原因是其中泥灰岩碎屑的水解泥化作用、方解石溶解作用和伊利石向伊-蒙混层矿物的转化作用;后者滑带形成过程中,滑带部位地下水与外界水力联系较差、地下水的还原作用强烈,滑带部位长石化学风化、次生粘土矿物增多,可知由伊利石转化的伊-蒙混层矿物增多是导致滑带土抗剪强度衰减的主要原因。

关键词:滑坡滑带;水-滑带物质相互作用;矿物成分;地球化学特征;抗剪强度

中图分类号:P641.69;P641.4　文献标识码:A　文章编号:1005-2321(2007)060098-09

0　引言

滑带是滑坡的关键单元,是滑坡中力学性质最低的软弱带。滑带的形成是斜坡岩土体在内外动力因素作用下,水与岩土间经历一系列物理、化学和力学相互作用的结果。滑带的发育特征是控制滑坡形成机理和活动规律的主要因素之一。不同滑坡滑带之间物理力学性质的差异,与水在滑带形成过程中的作用方式及其作用强度密切相关。因此,研究水在滑带形成过程中的作用规律,揭示水-岩(土)相互作用过程中滑带岩土体物理力学性质降低的物理、化学和力学作用过程,不仅可以从更深层次上认识滑坡形成机理,而且对预测滑坡活动特征也具有重要的指导作用。

大量滑坡实例证实,除均质或类均质岩土体滑坡中滑带的形成受斜坡内最大剪应力分布特征控制外,其余各类滑坡的主滑带均受斜坡内各种成因的软弱结构带(面)的控制,如岩层层面、节理面、断层带、岩层差异风化界面、岩土界面等。并且,前者通常数量稀少、规模较小。因此,从减灾防灾角度,研究受结构带(面)控制的各类滑坡的形成机理具有更为重要的实际意义。

在地下水富集的斜坡内,水与软弱带岩土间存在长期的物理、化学相互作用,致使岩土体矿物成分、化学成分改变,颗粒间联结力减弱,软弱带抗剪强度不断衰减,最终成为滑坡滑带。因此,采用矿物学、地球化学和水化学研究方法,分析滑带土矿物成分、化学成分的变化特征,寻找导致滑带土物理力学性质改变的根本原因被认为是研究滑坡形成机理的有效途径之一[1-4]。英国学者Ea rly和Skempto n[1]在详细调查斯塔福德郡沃尔顿的Woo d滑坡发育特征后,发现老滑坡滑带土部位Fe2O3含量明显低于滑体、滑床物质,提出滑带土长期处于封闭地下水的浸泡中,导致石英水解形成高岭石矿物,老滑带内粘土矿物增加是滑带土抗剪强度降低、滑坡复活的主要原因。日本学者Shuzui[2]通过系统研究日本第三纪火山岩地层中各类滑坡滑带土粘土矿物和滑坡区地下水化学的分布特征,指出在地下水的长期作用下,滑带内蒙脱石粘土矿物增多是斜坡内软弱带发育为滑坡滑带发育的最主要原因。Zheng等[3,5]认为日本第三纪火山岩滑坡内滑带及滑体、滑床中不同价位铁离子含量及其分布特征的差异,指示了滑坡内地下水的循环特征。Wen[4]通过系统分析香港地区风化火成岩滑坡中矿物成分和地球化学成分的变化特征,发现受软弱结构带控制的滑坡滑带内粘土矿物和地球化学成分与周围岩土明显不同;相反,在同类岩土中形成的滑坡滑带内粘土矿物、地球化学成分与周围岩土无明显差别。Wen等[6]研究显示,香港地区风化花岗岩滑坡中粘土矿物、地球化学元素的分布特征指示滑坡内地下水循环作用活跃;地下水的强烈淋滤作用和化学风化作用形成高岭石矿物富集的粘土夹层是滑坡滑带发育的基础。显然,受软弱结构带控制的滑坡滑带在形成过程中,水与滑带岩土的物理、化学作用特点随滑坡结构和滑带物质的变化而变化。然而,长期以来,滑坡形成机理研究中单纯强调滑带抗剪强度量值变化引起的滑坡稳定性的改变,忽略了滑带发育过程中导致滑带抗剪强度降低的内在机理。目前,国内外为数不多的研究文献一致显示,滑坡滑带土的矿物学、地球化学变化特征反映了滑带形成过程中水-岩(土)相互作用的形式和作用程度,从而揭示了导致滑带土抗剪强度降低的根本原因[1-6]。本文以三峡库区两个不同类型的大型滑坡为例,通过对比分析滑带土

矿物成分、地球化学成分分布特征与周围岩土的差异,结合滑坡区地下水化学成分,探讨水在滑坡滑带形成中的作用及其对滑坡形成机理的影响。

1　研究区和滑坡实例的基本特征

长江三峡地区自然地质条件复杂,自古以来滑坡灾害严重。三峡水库蓄水,改变了库区自然地质环境,必然导致滑坡灾害进一步加剧。现已查明,库区两岸发育规模较大的崩塌、滑坡2490处,其中规模大于1000万m 3

的巨型滑坡14处,规模大于100万m 3的大型滑坡数百处[7](图1)。这些大型老滑坡的形成机理及其在三峡水库蓄水后是否复活一直是国内滑坡研究的热点问题之一。根据滑坡滑带发育特征的典型性,本文选取三峡库区堆积层滑坡和基岩切层滑坡的典型代表———黄土坡滑坡临江I #崩滑体和泄滩滑坡为分析对象。这两个滑坡在三峡库区的位置如图1所示。1.1　黄土坡滑坡临江I #崩滑体

黄土坡滑坡位于湖北省巴东县城黄土坡组团腹地,地处长江右岸。由于黄土坡滑坡的存在,致使该县城新址三次选址、两次搬迁。该滑坡是一个具有多期活动性的复杂巨型滑坡群,由变电站滑坡、园艺场滑坡和临江I #、II #崩滑体4个滑坡组成。临江I #

崩滑体位于黄土坡滑坡西北部,前缘直抵长江。

滑坡平均厚度69.4m ,最大厚度95.27m ,滑坡面积32万m 2,体积2255万m 3。崩滑体由崩坡积的碎块石土组成,碎块石成分为黄灰、灰绿色灰岩、泥灰岩。滑体结构松散、透水性强(渗透系数k =1.88～17.22m /d )。钻孔、探井、平硐等勘探工程揭露,该滑坡滑带沿崩坡积碎块石土与下伏基岩接触带发育。滑带为连续性较好的棕黄色粉质粘土含碎石软弱夹层(图2),厚4～7cm ,其与上覆崩滑体和下伏基岩界面明显。在滑带与崩滑体碎块石土界面上,可见清晰擦痕,擦痕指向顺坡。滑带物质粘性强、挤压紧密,呈极湿—软塑状,滑带内碎石呈次棱角状,碎石成分以黄灰色泥灰岩为主。滑床为三叠系中统巴东组二段、三段(T 2b 2-3)灰绿—灰黄色泥灰岩,岩层产状顺坡。紧邻滑带部位,受滑坡影响,滑床岩体呈强风化碎裂状,形成厚约1～2m 的滑坡影响带

(

图2)。现场调查发现,该滑坡变形明显,造成平硐内滑带出露部位洞壁衬砌被挤裂,硐顶频繁坍塌

。

图1　三峡库区大型滑坡分布图

Fig .1　Distribution of large -scale lands l ides in the Three Gorges ,M iddle China

1—第四纪沉积物;2—侏罗纪泥岩、砂岩;3—三叠纪页岩、泥岩、泥灰岩、灰岩;4—二叠纪页岩;5—泥盆纪砂岩;6—志留纪页岩;7—奥陶纪白云岩、灰岩;8—寒武纪白云岩;9—新元古代砾岩、页岩;10—元古宙花岗闪长岩;11—滑坡。h tp 、xt 分别指示黄土坡滑坡和泄滩滑坡

图2　黄土坡滑坡临江I #

崩滑体滑带

Fig .2　Slip zone at No .1Linjiang slide

in Huangtupo landslide

1.2　泄滩滑坡

泄滩滑坡位于湖北省秭归县原泄滩乡乡政府所

在地,地处长江左岸。滑坡前缘舌部伸入长江,滑坡平均厚度30m ,最大厚度42m ,滑坡面积20.8万m 2,体积624万m 3。该滑坡为基岩切层老滑坡,滑体主要由崩坡积碎石土和风化碎裂岩组成。碎石土、碎裂岩由紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、灰白色粉砂岩和灰黑碳质页岩组成。滑体物质结构疏松—稍密,透水性强—中等(渗透系数1.0×10-2～8.62×10-5

cm /s )。钻孔、平硐揭露,滑带由紫红色、灰黑色粉质粘土夹碎石组成,碎石成分以泥灰岩、紫红色粉砂岩为主,碎石多呈次圆状、表面可见磨光面。滑带土呈饱和软塑状,滑带厚50～80cm (图3)。滑床岩层以三叠系中统巴东组第四段(T 2b 4)紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及沙镇溪组(T 3

s )灰白色粉细砂岩、石英砂岩为主,岩层倾向坡内。紧邻滑带部位,受滑坡影响,滑床基岩风化破碎

强烈,形成厚0～5m 不等的滑动影响带。野外调查及监测结果显示,该滑坡目前蠕动变形明显。

2　研究方法和测试样品

本项研究采用X 射线衍射法(XRD )、X 射线荧光光谱法(XRF )及常规化学分析法分别测试滑带土及其周围岩土体的矿物成分、主量化学成分和滑坡

区地下水化学成分。X 射线衍射(XRD )分析测试中,全岩矿物成分及其相对含量采用粉晶XRD 测

试方法;粘土矿物及其相对含量测试采用真空抽吸、

沉淀的定向粘土颗粒(<2μm )样品,测试前对样品

进行了乙二醇饱和、加热(300℃)等一系列处理,以

图3　泄滩滑坡滑带

Fig .3　Slip zone in Xietan lan dslide

确定粘土矿物类型。X 射线荧光光谱法(XRF )测试

中,采用准确度和精度较高的熔样法,测试滑坡岩土中的主量化学元素氧化物及其相对含量。由于XRF 分析法不能区分元素价态,本项研究中还采用常规化学分析法测定滑带及其周围岩土中2价铁离子含量。将2价铁离子含量换算成氧化物的含量,3价铁氧化物含量则为XRF 测定的铁氧化物含量与2价铁氧化物含量之差。

本文中的滑坡滑带及其周围岩土分析试样均采自揭露滑带的勘探平硐内。沿贯穿滑带的剖面采集滑体、滑带及滑床岩土试样。由于土体内不同粒径颗粒中,细颗粒表面积大于粗颗粒,抗水流挟带能力小于后者。所以,地下水与土体相互作用中,细颗粒与地下水的相互作用远大于粗颗粒。基于此,在本项研究中,选取滑带土及滑体土中小于2mm 的颗粒,分析其矿物成分和化学成分。对于岩石试样,则选取全岩粉末试样进行相应分析。

3　滑带及其周围岩土矿物成分和主量

化学元素的分布特征

3.1　黄土坡滑坡临江I #崩滑体

XRD 全岩分析结果显示(表1,图4),该滑坡滑带和滑体内土体颗粒(<2mm )的矿物成分与滑床泥灰岩基本相同,均以石英、方解石、粘土矿物为主。但是,滑带内粘土矿物含量最高、方解石含量最低,石英含量低于紧邻滑带的滑体和滑动影响带。尽管

滑体内石英、方解石和粘土矿物的含量变化极不规则,但是,靠近滑带部位,滑体和滑床影响带内粘土

矿物和方解石含量呈增加趋势。

表1　滑带土及其周围岩土主要矿物成分及其相对含量

T able1　M ajo r minerals and their rela tive conce ntr atio n w ithin slip zones o f the landslide s and their host materials

滑坡名称取样位置样品类型样品编号

全岩矿物类型及其相对含量/%粘土矿物及其相对含量/%石英方解石长石粘土矿物伊利石高岭石伊-蒙混层

黄

土坡

滑

坡

临

江I#崩滑体TP2-110m滑体HT P-I-S B1105803179813 TP2-133m滑体HT P-I-S B276602677617 TP2-140m滑体HT P-I-S B31450035741214 TP2-143m滑体HT P-I-S B42834037721513 TP2-143m滑体HT P-I-S B52916054701911 TP2-144m滑带H TP-I-SZ2512062671221 TP2-143m滑床影响带H T P-I-R1352004470119 TP2-144m滑床H T P-I-R23135033———

泄滩滑坡P1-43m滑体XT-SB146064870237 P1-65m滑体XT-SB2460104472244 P1-83m滑体XT-SB3560133171228 P1-98m滑带XT-SZ412254582913 P1-104m滑床XT-R5082718——

—

粘土颗粒(<2μm)定向试样的XRD测试结果

显示,伊利石为滑体、滑带中的主要粘土矿物,其次

为伊利石-蒙脱石(伊-蒙)混层矿物、高岭石(表1,图

5)。比较滑体、滑带中的三类粘土矿物,高岭石的含

量变化极不规则,但是,滑带内伊利石含量减少,伊-

蒙混层矿物明显增多。

若以主量元素氧化物的含量表示该元素含量,

XRF测试结果显示(表2,图6),与滑体、滑床物质

相比,元素Ca、Fe2+在滑带部位含量最低,元素Al

在滑带略高。从滑体、滑床向滑带方向,元素Ca、

Fe2+含量表现逐渐减少,Fe3+明显富集,元素Al含

量呈现微弱增加趋势。其余元素含量在滑坡内的变

图6　黄土坡滑坡临江I#崩滑体主量元素氧化物

相对含量变化图(图中SB、SZ、R分别代表

滑体,滑带和滑床基岩)

Fig.6　Variation of relative concentration of major elements

w ithin the s lip zone of No.I Linjian g s l ide in Hu angtupo

landslide and its host m aterials

化特征则不甚明显。

3.2　泄滩滑坡

XRD全岩分析结果显示(表1,图7),泄滩滑坡

的滑体、滑带和滑床土体颗粒中(<2m m),矿物成

分均以石英、长石、粘土矿物为主,方解石、铁、铝氧

化物含量不足10%。与滑体和滑床相比,滑带内粘

土矿物含量最高、石英和长石含量最低。滑体中,几

乎不含方解石,但是,滑带内存在少量方解石。

粘土颗粒(<2μm)定向试样的XRD测试结果

表明(表1,图8),泄滩滑坡内粘土矿物仍以伊利石

为主,高岭石、伊-蒙混层矿物次之。与滑体相比,滑

带内伊利石减少、高岭石增多、伊-蒙混层矿物增多。

同样,若以主量元素氧化物含量表示该元素含

量,滑坡内主量元素的分布特征显示(表2,图9),与

滑体、滑床相比,滑带部位元素Na、K含量最低、元

素Al略高、Fe2+含量最高。从滑体、滑带、滑床方

向,元素Ca含量呈现增加趋势,Fe3+、元素Mn含量

呈现减少趋势,并且这些元素或离子的丰度在滑带和

滑床内基本相同。其余元素含量则无明显变化特征。

4　水在滑带形成中的作用及其对滑坡

形成机理的影响

4.1　黄土坡滑坡临江I#崩滑体

由于粘土矿物、方解石均对水的作用较为敏感,

所以滑坡内粘土矿物、方解石含量变化特点,反映滑

带形成与地下水的作用密切相关。

滑坡内地下水水化学测试结果显示(表3)[8],

表2　滑带土及其周围岩土主量元素及其相对含量

Table2　M ajor elements and their relative co ncentration within slip zo nes of the landslides and their ho st ma te rials

滑坡名称取样位置样品类型样品编号

主量元素及其相对含量/%

SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeO M nO M gO CaO Na2O K2O P2O5LOI

黄

土

坡

滑

坡

临

江

I#崩

滑

体TP2-110m滑体H TP-I-SB135.440.4912.135.151.530.071.4221.090.072.140.1120.16 TP2-133m滑体H TP-I-SB223.280.49.822.521.270.081.4431.950.082.270.0927.59 TP2-140m滑体H TP-I-SB347.10.612.973.541.650.092.214.60.192.730.11514.6 TP2-143m滑体H TP-I-SB452.950.6612.481.791.350.062.8813.540.162.930.1311.44 TP2-143m滑体H TP-I-SB550.90.6114.133.251.250.072.0812.750.263.140.1411.76 TP2-144m滑带H TP-I-SZ49.330.62163.920.840.062.617.360.193.130.1415.28 TP2-143m滑床影响带H TP-I-R147.080.5812.532.382.130.062.2314.470.212.60.1315.51 TP2-144m滑床H TP-I-R250.130.4910.710.921.60.041.916.220.282.220.1214.97

泄滩滑坡

P1-43m滑体XT-SB161.300.7817.936.330.290.201.980.151.232.940.125.61 P1-65m滑体XT-SB262.100.8017.165.820.360.191.870.151.573.260.165.58 P1-83m滑体XT-SB362.200.8417.164.170.650.191.610.201.803.310.166.21 P1-98m滑带XT-SZ63.530.8618.121.692.920.081.512.770.771.800.145.89 P1-104m滑床XT-R70.050.5611.971.381.800.081.223.792.203.850.123.07

表3　滑坡区地下水水化学基本特征

T able3　Chemical co mpo sitio ns of g r oundwa te r within the landslides

滑坡名称

水化学组分浓度/(mg·L-1)

H CO-3Cl-SO2-

4K+Na+Ca2+M g2+侵蚀CO2游离CO2

pH

黄土坡滑坡临

江I#崩滑体

195.0135500.756.67100.597.58.055.417.23泄滩滑坡2194.6517.290.9111.0052.4416.45014.456.8

图9　泄滩滑坡主量元素氧化物相对含量变化图

(图中SB、SZ、R分别代表滑体,滑带和滑床基岩) Fig.9　Variation of relative concentration of major

elemen ts w ithin the s lip zone in Xietan landslide

and its host m aterials

黄土坡滑坡临江I#崩滑体内地下水类型为重碳酸钙型水(H CO3-Ca),水中含有侵蚀型CO2。当滑坡形成过程中地下水化学成分变化不大时,在CaCO3-CO2-H2O体系中,根据水化学成分可以计算出该滑坡地下水中CaCO3活度积K ias=10-8.45。由于开放环境中CaCO3的平衡常数K so=10-8.35[9],则临江I#崩滑内地下水溶液中方解石饱和指数SI=0.79 <1,说明方解石溶液处于非饱和状态。因此,在滑带部位,方解石与水中侵蚀型CO2发生下式中向右进行的化学反应。即方解石发生溶解:

CaCO3+CO2+H2O※Ca2++2H CO-3

溶解后的Ca2+随水流逐渐流失,所以,滑带内方解石含量降低。此外,方解石溶解需要缓慢的地下水流,否则CaCO3很难与水中CO2充分反应。因此,滑坡内方解石含量变化指示滑带部位长期处于饱水状态,并且地下水流速缓慢。

另一方面,地下水的长期作用,有利于滑带部位泥灰岩碎石颗粒的水解泥化。水-土之间这种物理作用的结果,造成滑带部位粘土矿物含量增高。所以,对黄土坡滑坡临江I#崩滑体而言,滑带内粘土矿物含量增多、抗剪强度降低应与地下水在滑体与基岩接触带部位长期的泥化、水解作用有关。粘土矿物为环境敏感矿物,在近地表环境下,伊利石对环境变化尤为敏感。在水的长期作用下,伊利石结构逐渐蜕变,形成膨胀层,向蒙脱石方向转变[10-11]。结果,滑带内伊利石矿物减少、伊-蒙混层矿物增多。已有的粘土矿物的工程性质研究表明,伊-蒙混层矿物较伊利石具有更强的膨胀性、更低的抗剪强度[12]。因此,土体内伊-蒙混层矿物增多指示其抗剪强度降低。

地下水的循环流动必然造成岩土内易溶的活动性元素的迁移、沉淀。岩土内K、Na、Ca通常为迁移性元素,最易随水流失[9]。与滑体、滑床物质相比,滑带内元素Ca的减少,指示方解石与含有侵蚀性CO2的地下水反应后,滑带部位还存在缓慢的侧向地下水流挟带Ca2+流失。元素A l在滑带部位的增多,则与水-土泥化作用后,滑带内粘土矿物含量增大有关。

滑带内Fe2+、Fe3+含量分别呈现的亏损和富集趋势表明,滑带部位氧化作用活跃。对位于地下平均40～50m深处的滑带而言,其中氧化作用的发生可以解释为含有氧气的大气降水在滑带部位汇集的结果,即:

4Fe2++4H2O+5O2※2Fe2O3+8OH-

滑带附近氧化作用的存在,说明在临江I#崩滑体内大气降雨的入渗作用活跃,地表水与地下水水力联系紧密。

滑带的矿物学、地球化学特征均与滑体、滑床区别显著,指示该层滑带沿斜坡内的软弱带发育。地下水在软弱带部位长期富集,水与软弱带土体的化学、物理作用———水解泥化作用,造成其中粘土含量增高、伊利-蒙混层矿物增多,导致软弱带抗剪强度逐渐降低。当其抗剪强度低于作用其上的剪应力时,便成为滑坡滑带。存在于水与软弱带土体的化学作用———方解石溶解、Ca2+流失,也可能降低软弱带土体颗粒联结力,促使软弱带抗剪强度进一步降低。滑带及其周围岩土体化学元素含量以及Fe2+、Fe3+含量的变化特征指示,在滑坡发育过程中斜坡内地下水循环频繁,滑带发育部位地下水接受大气降水补给,氧化作用较活跃。

4.2　泄滩滑坡

长石化学风化后直接转变成粘土矿物。所以,与滑体、滑床物质相比,长石、粘土矿物在滑带内的增、减特征反映滑带物质以富含长石的泥质粉砂岩的化学风化产物为主。化学风化的发生,水是不可缺少的媒体,如:

2KAlSi3O8(钾长石)+2H++H2O※

Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+2K++4SiO2

据此判断,泄滩滑坡的滑带发育部位亦为地下水活动区,其中长石的水解、泥化作用活跃。

与黄土坡滑坡临江I#崩滑体类似,滑坡区地下水水化学类型为重碳酸钙型(H CO3-Ca),但是地下水中不含有侵蚀性CO2(表3)①。根据水化学成分计算,地下水中CaCO3活度积K ias=10-8.36,当CaCO3的平衡常数K so=10-8.35时,地下水溶液中CaCO3饱和指数SI=0.977,CaCO3在地下水中的溶解基本处于平衡状态。因此,滑带内极少方解石溶解,其中方解石含量大于滑体;滑床基岩可能基本不受地下水影响,其中方解石含量更高于滑带。与滑体物质相比,粘土矿物伊利石、伊-蒙混层矿物含量在滑带内的增、减变化反映地下水的长期作用后,致使部分伊利石结构逐渐蜕变转变为伊-蒙混层矿物。

然而,与黄土坡滑坡临江I#崩滑体不同,易迁移性元素K、Na含量在滑带部位明显减少,难迁移性元素Si、Al含量在滑带部位增加。这种变化特征应与K、Na长石风化、次生粘土矿物增多有关。同时这种变化指示滑带内地下水也存在明显侧向地下水流,携带K、Na元素流失。元素Ca在滑坡内变化特征,则直接对应于方解石的含量变化。

Fe2+、Fe3+、M n含量在滑坡内的变化特征指示滑体内氧化作用活跃,其中地下水普遍接受富含氧气的大气降水;滑带部位存在较强的还原作用。对于平均厚度30～42m的厚层滑坡而言,滑带内几乎不含有机物质,还原作用只能是由于地下水循环条件差、缺乏溶解自由氧所致。强还原环境中,滑带内三价铁氧化物或氢氧化物与水或弱酸性水中H CO-3发生下列二式中向右进行的化学反应:

Fe2O3+H2O※2(FeO·OH)

或:Fe(OH)3+H CO-3+2H+※FeCO3+3H2O 因此,至少在取样地段,滑坡内渗透性较好,而邻近滑带的滑体透水性较差,致使滑带部位地下水与外界水力联系较差,该处地下水不直接接受大气降水补给,处于封闭的赋存环境中。

矿物学和地球化学特征一致显示,泄滩滑坡滑带也与滑体、滑床物质明显不同。因此,该滑坡滑带顺沿斜坡内已经存在的软弱结构带发育。然而,与黄土坡滑坡临江I#崩滑体明显不同,矿物学和地球化学分布特征指示,泄滩滑坡滑带部位风化作用明显强于滑体碎裂岩和滑床基岩,表明滑带所在的软弱层可能为切层斜坡中强烈化学风化作用形成的差异风化带。该带为斜坡内地下水活动区,地下水流速缓慢,但与外部地下水水力联系较弱,还原作用活跃。

5　基于滑带矿物学、地球化学特征的滑坡活动趋势预测

5.1　黄土坡滑坡临江I#崩滑体

测试结果显示,滑带内仍有大量方解石、伊利石矿物存在(图5、6),因此地下水与滑带土之间持续的物理、化学作用,将使滑带内伊-蒙混层矿物进一步增多、更多方解石溶解。进而,滑带土抗剪强度继续降低,滑坡的蠕动变形可能将呈现加剧趋势。

5.2　泄滩滑坡

由于滑带内目前只有微量长石(2%)(图7),因此在地下水作用下长石的化学风化、次生粘土矿物生成过程已经基本结束。但是,地下水持续作用,可能促使滑带内更多伊利石转变为伊-蒙混层矿物。进而,滑带土抗剪强度降低。如此,滑坡的蠕动变形也将呈现加剧趋势。与黄土坡滑坡临江I#崩滑体相比,地下水作用致使滑带土抗剪强度继续降低的水-土作用类型只有伊利石向伊-蒙混层矿物的转化方式,所以泄滩滑坡滑带土抗剪强度的降低程度可能较低。如果仅考虑滑带土抗剪强度衰减程度对滑坡活动特征的影响,泄滩滑坡的复活活动强度可能不及黄土坡滑坡临江I#崩滑体。

但是,除滑带抗剪强度外,滑坡活动特征还受斜坡几何形态、滑带部位孔隙水压力、滑坡内动水压力等多种因素控制。因此,对于上述两个滑坡准确的活动趋势预测还应考虑多种因素的联合控制作用。

6　结论

三峡库区两个大型滑坡滑带及其周围岩土矿物和化学成分的变化特征显示,矿物学和地球化学研究方法与理论可以成为分析滑坡机理研究的有效途径之一。通过对比研究滑坡滑带与其周围岩土矿物成分、地球化学成分的差异及其变化规律,可以揭示滑带形成过程中水-岩之间是否存在显著的物理、化学作用及其作用方式,以及滑带内地下水的赋存环

①湖北省地质灾害防治工程勘查设计院.长江三峡工程库区湖北

省秭归县泄滩滑坡区滑坡勘查报告.2001.

境和循环条件,从而分析滑带成因和导致滑带抗剪强度降低的内在机理,预测滑坡活动特征。

黄土坡滑坡临江I#崩滑体和泄滩滑坡滑带土的矿物成分和地球化学成分的分布特征均与周围岩土显著不同,指示其滑带均沿斜坡内部在滑坡形成前已经存在软弱结构带发育。滑带发育过程中,地下水与软弱带物质之间的物理、化学作用活跃。但是,两个滑坡滑带发育部位地下水的循环条件和水-土物理、化学作用的形式则不尽相同。黄土坡滑坡临江I#崩滑体内,滑带发育部位地下水受大气降水补给、地下水的氧化作用强烈,滑带形成过程中水-土相互作用以方解石溶解、泥灰岩碎屑水解泥化和伊利石结构退化向伊-蒙混层矿物的转变为主。泄滩滑坡内,滑带发育部位地下水与外界水力联系较差、地下水的还原作用活跃,滑带形成过程中水-土相互作用以长石水解、次生粘土矿物形成和伊利石结构退化向伊-蒙混层矿物的转变为主。滑带发育部位水-土物理、化学作用的不断发展是导致其抗剪强度不断衰减的根本原因。两个滑坡活动特征的差异可能与滑带土内水-土相互作用方式及作用程度的不同密切相关。

从本文两个滑坡实例的分析中可以看出,滑带发育部位水-土物理、化学作用方式和作用程度与滑坡类型无关,但是受滑带物质组成和滑带附近地下水赋存环境、径流特征和水化学成分的控制。方解石、粘土矿物、长石等对地下水作用敏感矿物和K、Na、Ca等活动性元素和具有变化价态的Fe元素可作为指示滑带形成过程中水与岩土之间物理、化学作用的特征矿物和特征化学元素。

本项研究中,岩土矿物成分X射线衍射分析、岩土内主量化学元素X射线荧光管谱分析分别在中石化石油勘探开发研究院实验中心和国土资源部地质测试中心完成,特此致谢。

References:

[1]　Early K R,Skempton A W.Invesitgation of the land slide at

W alton s s Wood,Staffordshire[J].J ou rnal of H ydrogeology

and Engineering Geology,1972,5:19-41.

[2]　S huzui H.Process of slip surface developm ent and fo rm ation

of slip surface clay in landslide in Tertiary volcanic rock s,Ja-

pan[J].Engineering Geology,2001,61:199-219.

[3]　Zheng G,Lang Y,Takano B,et al.I ron speciation of sliding

m ud in Toyama Prefectu re,J apan[J].J ournal of Asian Earth

S ciences,2002,20:955-963.

[4]　W en B P.Natu re and development of slip zones of landslides

in igneous saprolites,H ongkong[D].Library of the Univer-

sity of H ong Kong,T he University of H ong Kon g,2002:

350.

[5]　Zheng G D,Lang Y H,M iyahara M,et al.Iron oxide p re-

cipitate in seepage of groundw ater from a lands lide slip z one

[J].En viron men tal Geology,2007,51(8):1455-1464. [6]　W en B P,Aydin A,Aydin N S.Geochemical characteristics

of th e slip zones in g ranitic saprolite and th e implication in

their origin and evolution[J].Environmental Geology,2004,

47(1):140-154.

[7]　Li L R.Geological hazard s and prevention in the Th ree Gor-

ges dam area[J].Land and Res ou rces,2002,4:4-7(in Chi-

nese).

[8]　Investigation Team of Hydrogeology and Engineering Geolo-

gy of H ubei Province.Investigation report of Huangtupo

lands lide at new site of Badong Cou nty,H ubei Province[R].

1991(in Chin ese).

[9]　S hen Z L.Fundamen tals of hydrogeological geochemistry

[M].Beijing:Geological Pu blishing Hous e,1992:185(in

Chinese).

[10]　C ham ley H.Clay sedimen tology[M].Berlin,Heidelb erg:

S pringer-Verlag,1989:441.

[11]　S eodon J,Eb erl D D.Illite[J].Review s in mineralogy.

1989,13:495-544.

[12]　Gillott J E.Clay in engineering geology[M].Am sterdam:

E lsevier,1987:486.

参考文献:

[7]　李烈荣.三峡库区地质灾害与防治[J].国土资源,2002:4-7.

[8]　湖北省水文地质工程地质大队.湖北省巴东县新城址黄土坡

滑坡工程地质勘查报告[R].1991.

[9]　沈照理.水文地球化学基础[M].北京:地质出版社,1992:

185.