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花岗岩类岩石遍布世界各地,并且它是构成大陆地壳的重要部分。在物理风化的影响下,岩石发生破碎后导致通气性、透水性的增加,这就为土壤的形成和发展提供了先决条件。从我国中部到南部,花岗岩土层总体上呈逐渐增厚的趋势。这是由于在湿热条件下,花岗岩矿物组分的稳定性不同,导致其岩体风化速度快,风化体深厚疏松。深厚的花岗岩风化壳是崩岗发育的基础,崩岗对我国土壤侵蚀造成的影响巨大,研究崩岗发育与花岗岩岩土体特性之间的关系,这对我们认识崩岗具有重要意义。
不同区域地质构造的差异和岩石的不均一性等深刻影响花岗岩岩土体的风化,表现在其岩土体剖面尺度与微观尺度的变异。因此研究不同风化层花岗岩岩土体物理、微观性质差异,探究其区域性差异。
本文以湖北省通城县、江西省赣县、福建省长汀县以及广东省五华县为研究区。在每个研究区域选择一个典型花岗岩崩岗进行打钻取样,将剖面土层划分为A层(淋溶层)、BC层(淀积层和母质层之间的过渡层)和C层(母质层),岩石在崩岗周边采石场进行采样,将岩石层次划分为全风化、强风化、中风化、微风化以及未风化。通过室内外土壤(容重、孔隙度、颗粒密度和机械组成)和岩石基本物理实验(块体密度、颗粒密度和单轴抗压强度),以及薄片和偏光显微镜研究花岗岩岩土体微形态,了解花岗岩风化剖面的分带特征,掌握了花岗岩风化剖面岩土体的基本物理性质,从微观角度来研究花岗岩风化岩土结构及孔隙的变异性,丰富花岗岩风化微形态的研究。
单重分形只能描述物质属性空间变异的总体特征,多重分形则更全面的呈现出物质属性在空间变异特征,本文结合土壤粒径的单重分形和岩土体孔隙的多重分形特征,从分形维数方面研究四个研究区域的变异性。通过试验,本文共得到以下结论:
(1)四个区域,五华县土壤层次厚度较其他三个地方更为深厚,达到70m,随着纬度减小花岗岩风化土体越来越深厚。岩土体物理性质存在层次性的差异,随着土壤深度的增加(即风化程度的减弱),容重呈现先增加后减小的趋势;颗粒密度随风化程度的减弱而增大;四个研究区母质层的非毛管孔隙表现为五华县(12.76%)>长汀县(8.59%)>赣县(8.44%)>通城县(6.31%)的规律,这会导致五华县和长汀县母质层在降雨短时间内雨水进入土体快,再加上其黏粒含量少,极易导致崩岗发生;四个研究区,淋溶层和过渡层中的细颗粒含量高,粗颗粒含量低,而母质层则相反。随着土层的加深,粗颗粒物质逐渐增加,慢慢出现粗骨化。单重分形维数值也随深度的增加呈现下降的趋势,表明可以利用单重分形维数表征每层土层的粒径分布特征;单重分形维数与黏粒呈正相关关系,与砂粒呈负相关关系,与粉粒的相关性较弱,这与前人的研究结果相一致。
(2)四个研究区的岩石块体密度随着风化程度的减弱均呈现增加的趋势,通城岩石块体密度较其他三个研究区更大,岩石更加致密,岩石强度更大;随着风化程度的减弱,四个研究区的颗粒密度呈现增加的趋势,通城县各层岩石颗粒密度均高于其他三个研究区;岩石单轴抗压强度随着风化程度的增加而降低,其中颗粒大小和矿物组分均影响单轴抗压强度。
(3)四个研究区的土壤粗颗粒的矿物组成主要由石英构成,但颗粒的形态表现出不同。四个研究区中,粒径0.5-1mm、1-2mm的圆度均大于0.39,圆度比粒径0.105-0.25mm、0.25-0.5mm和<0.105mm的大;相比其他三个研究区,通城石英粒径1-2mm、0.5-1mm的颗粒长宽比值最大,说明颗粒形态明显细化,风化作用较三个研究区弱。
土体的孔隙率和孔隙当量直径均随着深度增加而先降低后增加,且都在母质层取得最大值;岩体的孔隙率和孔隙当量直径随风化程度的增加而增大,岩石孔隙率的大小影响岩石单轴抗压强度,其孔隙率越大,岩石单轴抗压强度越小,其结果与前面研究中五华县岩石的单轴抗压强度小于其他三个研究区的结果一致;土体的大孔隙率随着深度的增加而先降低后增加,岩石的大孔隙率随风化程度加深而增加,五华县土体的大、中孔隙较其他三个研究区更为发育。
不同土层中均为母质层多重分形谱谱宽?α值最大,这表明母质层孔隙结构最为复杂,非均匀程度最高,且五华县母质层多重分形谱谱宽?α最大,可以认为五华县母质层孔隙结构较另外三个研究区复杂,空间变异性最强。通城县和赣县全风化与未风化的多重分形谱谱宽?α值相差最大,长汀县次之,五华县相差最小,说明通城县和赣县岩石的全风化和未风化层次孔隙不均匀度差异更大。
不同区域地质构造的差异和岩石的不均一性等深刻影响花岗岩岩土体的风化,表现在其岩土体剖面尺度与微观尺度的变异。因此研究不同风化层花岗岩岩土体物理、微观性质差异,探究其区域性差异。
本文以湖北省通城县、江西省赣县、福建省长汀县以及广东省五华县为研究区。在每个研究区域选择一个典型花岗岩崩岗进行打钻取样,将剖面土层划分为A层(淋溶层)、BC层(淀积层和母质层之间的过渡层)和C层(母质层),岩石在崩岗周边采石场进行采样,将岩石层次划分为全风化、强风化、中风化、微风化以及未风化。通过室内外土壤(容重、孔隙度、颗粒密度和机械组成)和岩石基本物理实验(块体密度、颗粒密度和单轴抗压强度),以及薄片和偏光显微镜研究花岗岩岩土体微形态,了解花岗岩风化剖面的分带特征,掌握了花岗岩风化剖面岩土体的基本物理性质,从微观角度来研究花岗岩风化岩土结构及孔隙的变异性,丰富花岗岩风化微形态的研究。
单重分形只能描述物质属性空间变异的总体特征,多重分形则更全面的呈现出物质属性在空间变异特征,本文结合土壤粒径的单重分形和岩土体孔隙的多重分形特征,从分形维数方面研究四个研究区域的变异性。通过试验,本文共得到以下结论:
(1)四个区域,五华县土壤层次厚度较其他三个地方更为深厚,达到70m,随着纬度减小花岗岩风化土体越来越深厚。岩土体物理性质存在层次性的差异,随着土壤深度的增加(即风化程度的减弱),容重呈现先增加后减小的趋势;颗粒密度随风化程度的减弱而增大;四个研究区母质层的非毛管孔隙表现为五华县(12.76%)>长汀县(8.59%)>赣县(8.44%)>通城县(6.31%)的规律,这会导致五华县和长汀县母质层在降雨短时间内雨水进入土体快,再加上其黏粒含量少,极易导致崩岗发生;四个研究区,淋溶层和过渡层中的细颗粒含量高,粗颗粒含量低,而母质层则相反。随着土层的加深,粗颗粒物质逐渐增加,慢慢出现粗骨化。单重分形维数值也随深度的增加呈现下降的趋势,表明可以利用单重分形维数表征每层土层的粒径分布特征;单重分形维数与黏粒呈正相关关系,与砂粒呈负相关关系,与粉粒的相关性较弱,这与前人的研究结果相一致。
(2)四个研究区的岩石块体密度随着风化程度的减弱均呈现增加的趋势,通城岩石块体密度较其他三个研究区更大,岩石更加致密,岩石强度更大;随着风化程度的减弱,四个研究区的颗粒密度呈现增加的趋势,通城县各层岩石颗粒密度均高于其他三个研究区;岩石单轴抗压强度随着风化程度的增加而降低,其中颗粒大小和矿物组分均影响单轴抗压强度。
(3)四个研究区的土壤粗颗粒的矿物组成主要由石英构成,但颗粒的形态表现出不同。四个研究区中,粒径0.5-1mm、1-2mm的圆度均大于0.39,圆度比粒径0.105-0.25mm、0.25-0.5mm和<0.105mm的大;相比其他三个研究区,通城石英粒径1-2mm、0.5-1mm的颗粒长宽比值最大,说明颗粒形态明显细化,风化作用较三个研究区弱。
土体的孔隙率和孔隙当量直径均随着深度增加而先降低后增加,且都在母质层取得最大值;岩体的孔隙率和孔隙当量直径随风化程度的增加而增大,岩石孔隙率的大小影响岩石单轴抗压强度,其孔隙率越大,岩石单轴抗压强度越小,其结果与前面研究中五华县岩石的单轴抗压强度小于其他三个研究区的结果一致;土体的大孔隙率随着深度的增加而先降低后增加,岩石的大孔隙率随风化程度加深而增加,五华县土体的大、中孔隙较其他三个研究区更为发育。
不同土层中均为母质层多重分形谱谱宽?α值最大,这表明母质层孔隙结构最为复杂,非均匀程度最高,且五华县母质层多重分形谱谱宽?α最大,可以认为五华县母质层孔隙结构较另外三个研究区复杂,空间变异性最强。通城县和赣县全风化与未风化的多重分形谱谱宽?α值相差最大,长汀县次之,五华县相差最小,说明通城县和赣县岩石的全风化和未风化层次孔隙不均匀度差异更大。