黑色页岩工程性质相对较差,其含有较多的有机质和细分散状的硫化物等,在其风化过程中生成酸性水,力学性能进一步降低,容易发生变形和破坏。黑色页岩主要由黏土矿物组成,此外还含有一定量的石英、长石等碎屑矿物,除了矿物成分对应的元素外,还含有丰富的微量元素和稀土元素。 为探讨裂隙带对黑色页岩风化过程的影响机制、黑色页岩元素与矿物蚀变耦合变化关系、黑色页岩元素迁移富集特征和黑色页岩风化对工程建筑的影响,以渝东大旺、新花黑色页岩剖面为研究对象,通过野外实地考察和采样、X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子质谱(ICP-MS)和化学分析等手段,对风化剖面矿物成分、主量元素、微量-稀土元素进行分析,系统对比裂隙带与非裂隙带矿物组成及元素迁移特征,揭示黑色页岩风化过程中元素和矿物的地球化学行为。本研究主要取得以下研究成果: (1)大旺和新花剖面斜长石均显著亏损且伴随Na元素强烈流失,说明斜长石风化是黑色页岩风化的重要过程之一。大旺剖面裂隙带伊利石显著亏损(τ为-0.42)而高岭石强烈富集(τ为9.3和25.1),表明裂隙带发生了伊利石向高岭石的转化过程。大旺剖面Ca、Mg元素亏损分别由斜长石蚀变和伊利石分解所致,而新花剖面主要由方解石溶解造成。裂隙带表现出最高的风化强度(CIA为79.38和83.56)、斜长石强烈亏损(τ为-0.8和-0.9)及高岭石明显富集(τ为9.3和25.1),表明裂隙带对黑色页岩风化过程矿物转变和元素迁移具有强烈的控制效应。 (2)在黑色页岩风化过程中,Zr、U、Hf、Th、Ta、T1元素上不发生迁移,Li、Ba、Sr、Mn、As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、V、Zn元素表现为“损失”模式,Rb元素在风化剖面上部迁移淋滤而在剖面下部表现为富集状态,表现为迁移富集模式。根据皮尔森相关性分析,一些主、微量元素之间,主量元素与稀土元素之间具有较强的相关性,表明元素与矿物具有一定的耦合变化关系。在大旺剖面中,Si跟Al、Fe、Ti、LOI呈较强的负相关、跟Na、Ca、K呈中等正相关,此外,Al与Ca和Na呈中等负相关,说明在黑色页岩风化过程中方解石和碳酸盐矿物不断分解从而导致Mg和Ca元素强烈流失,斜长石受风化作用溶解导致Na、Si元素迁移,K元素因为钾长石比斜长石更耐风化而在剖面中保持稳定。在新花剖面中Si与Al、Fe元素呈现强烈的负相关,但与Na、S呈现较强的正相关,Al与Na元素呈强的负相关,说明黑色页岩风化过程Na元素的强烈淋滤与斜长石的持续风化有关,发生了伊利石向高岭石的转化作用。 (3)稀土元素在大旺剖面表现出较明显的迁移淋滤,但在裂隙带处呈现富集状态,这与铁锰氧化物和黏土矿物的吸附作用有关。在新花剖面中各类元素的τ_Nb,j基本上都小于0,新花剖面稀土元素的质量迁移系数曲线类型为“损失”模式。稀土元素的分异程度会随着风化程度的增大而增大,轻稀土相对重稀土富集的现象更明显。黑色页岩风化剖面表现出轻微的Ce正异常和明显的Eu负异常,δCe受氧化还原环境影响,δEu具有基岩继承性,与斜长石的蚀变分解有关。 (4)黑色页岩岩体暴露于自然氧化环境中,迅速发生风化作用,因其本身工程性质弱的原因表层岩体会呈碎块状脱落形成堆积体,且形成的中空环境影响周围岩体的稳定性。其次,黑色页岩风化后形成的酸性水会进一步腐蚀工程建设中的混凝土、钢材等,损害工程的稳定性和耐久性,随着风化进程,黑色页岩生成的硫酸盐、次生黏土矿物(如蒙脱石)的膨胀性,对岩体造成隆起效应,进而对工程建设造成不容忽视的破坏。