南阳盆地膨胀土成因研究

秦 天，温静宇，安梦琪

(华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

膨胀土是由强亲水矿物组成的高塑性粘土，主要成分为蒙脱石与伊利石，具有吸水膨胀，失水收缩的特性，是一种“问题多的特殊土”[1-3]。南阳盆地是形成在秦岭-大别山褶皱造山带之上的新生代断陷盆地，地质作用复杂，岩石类型多样。盆地自西向东，从内乡、镇平界直到方城，发育了大量不同类型的膨胀土，其膨胀性由弱到中强，大约占盆地面积65%[4-5]。

前人针对南阳盆地膨胀土开展了一系列研究。刘特洪[6]，通过数理统计原理和工程地质类比法，得出膨胀土各种物理、力学参数的特征范围；孟令超等[7]，利用木质素磺酸钙改良南阳弱膨胀土的最佳掺量问题，研究在干湿循环下掺量对弱膨胀土的胀缩特性的影响，分析得出木质素磺酸钙可以保持干湿循环中弱膨胀土的稳定，同时可以抑制弱膨胀土裂隙的发育；刘娉慧等[8]，以南阳段膨胀土为研究对象，通过密度计法对不同分散剂下的膨胀土进行颗粒分析试验，研究表明采用六偏磷酸钠的效果较好，氨水次之，氢氧化钠效果最差，对认识和了解膨胀土的工程性质具有一定意义；阳云华[9]，利用不同特性的南阳膨胀土原状样与重塑样，经过在不同含水率下抗剪强度的试验分析，得出土的膨胀性越强，内聚力越大，内摩擦角越低，含水率越大，力学强度就越小，在反复胀缩作用下对膨胀土的强度有重要作用；张家俊等[10]，通过将样品烘干及图像方法对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行室内试验，分析得出裂隙发育与土体完成性破坏之间的关系：裂隙越发育，土体范性变形量越大；王晓琪等[11]，通过模拟不同一维覆土压力下南阳膨胀土的土体水分特征，得出考虑覆土压力效应的土水特征曲线(SWCC)，分析了吸湿路径下的含水率、吸力、孔隙比和饱和度之间的相互关系。

现场勘察发现，盆地内出现了大规模的房屋裂缝以及路基裂缝等膨胀土问题(如图1所示)，对工程建设和人民生命财产安全造成严重危害。诸多国内外学者对南阳盆地膨胀土的研究主要在上述(物理特性、裂隙性、渗透性等)几个方面，但是对该区域膨胀土的成因研究较少，没有进行深入分析。关于南阳盆地膨胀土的成因研究对重大工程施工以及地质灾害的防治都具有重要意义。因此，本文以膨胀土为研究对象，通过对钻孔岩芯描述、自由膨胀率试验、X射线衍射分析以及孢粉分析结果，探讨南阳膨胀土成因及与古气候关系，拓展膨胀土研究的范畴。

图1 取样地理位置及取样点周边膨胀土造成的危害

1 区域地质概况

1.1 地形地貌

南阳盆地位于河南省西南部和湖北省西北部(如图2所示)，处于我国“第二台阶”与“第三台阶”的过渡带上，整体呈椭圆形，面积约为26569km2[15]。南阳盆地北靠伏牛山，东扶桐柏山，西依秦岭，南临汉江，三面环山，一面靠江，整体呈西北高东南低的特征。区域最高海拔2212.5m，最低海拔72m，相对高差2140.5m。南阳盆地地貌类型多样，分别为高山、中山、低山、丘陵、岗地、平原、河谷的Ⅱ级阶地，其中分布较多膨胀土的低山、丘陵、平原、Ⅱ级阶地为盆地的主要地貌[16-18]。区域边界北部以中高山为主，西部由中高山、低山丘陵构成，南部为岗地和平原，东部为中山、低山丘陵，地势由西北向南缓慢倾斜[19]，呈阶梯状逐渐向南过渡，逐渐降级。盆地内河流密布，主要有唐河、白河、丹江等，纵贯中部，向南泄入汉水。研究区社旗县位于南阳盆地东北部，区域东北部为低山丘陵区，西南部为垄岗、平原区域，地势由东北向西南倾斜，最高海拔711m，最低海拔103m，相对高差608m。

图2 南阳盆地区域构造图

1.2 地层岩性

南阳盆地是白垩纪晚期以来持续发育的断陷盆地[20]，充填了一套连续的陆相碎屑沉积地层。沉积盖层自下而上依次为白垩系、古近系、新近系和第四系地层。

1.3 地质构造

南阳盆地是由华北板块与扬子板块碰撞形成在秦岭褶皱带之上的山间断陷盆地[21-23]。盆地内具有典型“五凹五凸”的构造格局[24]。区域整体可划分为社旗、师岗、新野、唐河及双沟5个凸起构造单元和泌阳、南阳、邓州、襄阳及枣阳5个凹陷构造单元。南阳盆地属于秦岭地域，该区域断裂发育，区域内5条主要断裂分布于南阳盆地西北部、中部、东北部，分别是山阳-内乡断裂、新野断裂、南阳-方城断裂、朱阳关-夏馆断裂和商县-丹凤断裂。

1.4 构造演化

晚白垩世时期，区域构造活动剧烈，盆地周边山体不断上升隆起，导致区域下陷，逐渐形成盆地初貌[25-26]。至末期，在燕山运动的影响下，盆地进入了稳定沉降阶段，周边山地隆起，中间区域下陷成盆地，盆地内逐渐形成大大小小的湖泊雏形。古近纪前期，区域断层活动剧烈，盆地进入快速沉降状态，湖盆沉积范围变广，湖水加深，以河湖相沉积为主[27-28]；南阳盆地中部与西部形成了棕红色、灰白色，灰绿色粘土。古近纪中期，凹陷区域开始不均匀缓慢上升，气候逐渐干热，湖水缓慢变浅。直到第四纪早更新世时期，太平洋板块向欧亚板块强烈俯冲[29]，盆地凹陷发生区域性差异隆升剥蚀[30]，湖盆急剧减少，结束了大面积河湖相沉积，部分地貌逐渐形成垄岗和丘陵；该时期气候寒冷干燥，盆地内化学程度微弱，在水流搬运作用下形成了洪积物，基本不发育膨胀土[31]。第四纪中更新世和晚更新世时期，太平洋板块向欧亚板块俯冲结束，构造作用相对较弱，大部分断层活动逐渐停止，盆地普遍发生缓慢沉降，整体进入拗陷充填阶段[32-33]，冲洪积、洪积沉积范围扩大至整个盆地。到了全新世时期，盆地相对稳定，主要沿河道一带发育，形成了冲积平原[34]，地形地貌与现在相似。

2 取样与研究方法

2.1 取样

本文在南阳市社旗县泥河赵村布置D01钻孔，钻孔深度为17m，对该区域膨胀土样品采集，取得样品10组。采集完成后进行密封、编号与称重，为后续做自由膨胀率试验、矿物分析(XRD)试验与孢粉提取试验提供准备。取得岩芯样品分为8层，取样深度为1.2～17m，平均每隔2m取样，经过仔细观察，绘制钻孔柱状图，如图3所示。

图3 泥河赵村D01钻孔地层柱状图

2.2 自由膨胀率试验

试验步骤及方法依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[35]进行。首先，将漏斗置于漏斗支架上，其出口应在土壤量杯中间，并保持10mm距离；随后，将10组样品分别选取300～500g，并在105～110℃烘干和碾碎，分别经过0.5mm土壤筛后，用取土匙取适量试样倒入漏斗中。待量土杯装满试样并开始溢出时，停止向漏斗倒土并移开漏斗，刮去杯口多余土，称量土杯中试样质量；其次，向50ml的量筒内注入20～30ml蒸馏水和5ml浓度为5%的纯氯化钠溶液，将备好的试样缓慢倒入量筒内；最后，用搅拌器上至静液面下至筒底搅拌溶液10次，经蒸馏水冲洗搅拌器和量筒内壁上残留的膨胀土，直至溶液表面平至50ml刻度线。待悬液澄清后，每隔2h测读1次土面高度，经过6h内的2次读数误差不超过0.2ml，此时试样可视为膨胀稳定，记录下膨胀稳定数值并计算出膨胀率。按照式(1)分别计算出试样的自由膨胀率。

(1)

式中，δef—自由膨胀率，%；Vwe—试样在水中膨胀稳定后的体积，ml；V0—试样的初始体积，ml。

2.3 矿物分析

为深入了解研究区膨胀土的粘土矿物含量，对10组土样进行X射线物相分析。首先，将10组膨胀土样品研磨为粉末，经过加入10%的过氧化氢(H2O2)和乙二胺四乙酸(EDTA)粉末的系统处理，去除有机质和碳酸盐，使之能在蒸馏水中形成悬浊液，直到有抗絮凝作用发生。根据Stokes法则提取粘土粒级的成分(<2μm)将小于2μmde颗粒吸出，取上层粘土溶液离心30min，并去除水分，采用刮片的方法制作成定向薄片。粘土矿物样品的测试使用理学D/max-2500PC衍射仪，Cukα辐射，电压40kV，电流100mA，最后自然风干制成自然片，乙二醇饱和7.0～9.0h制成乙二醇饱和片，然后进行XRD测试，将测试后的饱和片经过马弗炉500℃高温加热2.5h制成高温片，再次进行XRD测试。

2.4 孢粉试验

本研究采用常规的孢粉分析方法[36]，即膨胀土样品在实验室里经过酸、碱等化学处理，换水清洗到中性后，用比重为2.1以上的重液在离心机上进行离心浮选，提取孢粉鉴定样品，再经冰乙酸水稀释、集中，纯净水清洗至中性后制到试管，然后制活动玻片在生物显微镜下进行观察、鉴定、统计。最后，使用Tilia软件对孢粉百分比进行计算和绘图。

3 结果

3.1 自由膨胀率试验结果

研究区膨胀土自由膨胀率的试验结果见表1，并绘制自由膨胀率与深度的变化曲线(如图4所示)和不同膨胀潜势膨胀土随深度变化分布散点(如图5所示)。

表1 自由膨胀率试验结果

图4 研究区膨胀土自由膨胀率随土层深度变化规律

图5 不同膨胀潜势膨胀土随土层深度变化分布散点图

根据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》[37-38]的分类标准，膨胀土的膨胀潜势可分为3类，自由膨胀率在40～65之间属于弱膨胀土，在65～90之间属于中等膨胀土，大于90属于强膨胀土。

由试验结果(如图4—5所示)可知，研究区膨胀土大部分以中膨胀潜势为主，平均膨胀率为80.2%，局部有少量的弱膨胀土和强膨胀土。膨胀土试样在不同深度的自由膨胀率差异较大，总体呈非线性变化。自由膨胀率曲线可分为3个阶段：①稳定阶段：膨胀土试样自由膨胀率在深度1～3m处曲线接近水平，膨胀率缓慢减少增大，逐渐趋于稳定，其膨胀潜势属于中膨胀土。②急剧增大减小阶段：膨胀土试样自由膨胀率在深度4～15m处变化较为强烈，整体呈“W”形急剧增大减小。膨胀性以中膨胀为主，但在8.5m处达到强膨胀潜势，膨胀率为91%，在10.5m处膨胀率迅速下降为60%，出现一个低极值点，这可能与当时的气候转换相关或处在河流边，发育有较少的弱膨胀土有关。③快速膨胀阶段：在15～17m处，膨胀率从76%迅速增大到119%，处在一个最高值点，可能与当时构造条件下的沉积环境有关。由于本试验钻孔较少，并不能对比分析该区域土层的膨胀率大小，是本次试验的一个缺陷。

3.2 矿物特征

研究区膨胀土矿物分析结果见表2。结果表明，研究区粘土矿物组合类型为伊利石-伊/蒙混层-绿泥石，未检测到高岭石与蒙脱石。其中粘土矿物以伊/蒙混层为主，含量一般在8%～30%之间，平均含量为18.2%；伊利石含量一般在12%～22%之间，平均含量为16.2%；绿泥石含量相对占比较低，含量一般在0～21%之间，平均含量为12.2%。研究区碎屑矿物主要为石英，其次为斜长石、钾长石、方解石与褐铁矿，碎屑矿物属于粗粒部分的主要组成物质，对其膨胀土性质影响不大，可以不计考虑。

表2 矿物成分分析表

由矿物分析结果，做出粘土矿物含量随土层深度的变化趋势图(如图6所示)，其反映研究区主要粘土矿物含量纵向变化特征。随着土层深度的增加，3组粘土矿物含量在纵向变化上呈非线性关系。伊利石含量随着土层深度变化可分为3个阶段，①稳定阶段：在土层深度1～6m处，伊利石含量相差不大，较平稳，其平均含量在14.8%；②逐渐上升阶段：在土层深度6～13m处，伊利石含量呈逐渐增大趋势；③缓慢下降阶段：伊利石含量在13～17m处后逐渐衰减。伊/蒙混层含量随土层深度变化可分为两个阶段，①急剧增大减小阶段：在土层深度1～8.5m处，伊/蒙混层含量呈急剧增大减小状态，整体变化幅度较大，最小含量为8%，最大含量达到30%；②稳定阶段：在土层深度8.5m处后含量逐渐稳定。绿泥石含量在土层深度1～4m处略微减少，随之在6m处含量从17%迅速减小到8%，之后便急剧增加并缓慢上升，13m处后绿泥石消失。

图6 粘土矿物含量随土层深度变化规律

研究区粘土矿物主要以伊/蒙混层为主，其次为伊利石和绿泥石。粘土矿物含量上升说明土层深度土壤风化程度较高，粘化作用较强，因而具有较高的粘土矿物含量，粘土矿物含量减小可能与当时的地质环境和气候条件有关。伊/蒙混层矿物形态介于伊利石蒙脱石之间，是由蒙脱石向伊利石转化的中间产物，其形成在化学程度中等的地表环境，是在弱碱、气候环境条件下风化形成的物质[39]。伊利石是由蒙脱石和高岭石在一定的地质环境下转换而来，期间经过母岩物理风化，并在淋滤作用不强的弱碱环境下形成的产物[40]。绿泥石比伊利石更容易发生水解反应，它是由硅、镁、铁、铝等阳离子的硅酸盐或变质岩在碱性、淋滤作用不强条件下形成的矿物；在13m处绿泥石消失可能与当时的气候环境有关，不适宜绿泥石的产生。根据主要粘土矿物可知当时南阳盆地的成土环境为碱性还原环境，而成土母质主要来自第四系冲洪积、洪积物，碱性环境不适宜高岭石的形成，而碱性环境有利于蒙脱石形成，但成土母质不适宜蒙脱石的形成。

3.3 孢粉分析结果

本次研究共统计陆生植物花粉917粒，平均每个样品92粒，孢粉总浓度平均每个样品为3粒/g，共发现并鉴定了54个科属的植物花粉。其中包括20个科属的木本植物花粉，27个科属的草本植物花粉，5个科属的蕨类孢子，2个科属的藻类。

根据镜下孢粉鉴定统计分析结果，按照植物气候类型代表性特征选取孢粉总浓度、孢粉总数、木本植物、草本植物、蕨类孢子、松属、桦属、鹅耳枥属、落叶栎属、山毛榉属、榆属、禾本科、藜科、蒿属、紫苑属、十字花科、豆科、香蒲、莎草科、中华卷柏、铁线蕨属22个主要数量指标，运用孢粉专业作图软件Tilia作出孢粉百分比含量图式。根据聚类分析Coniss所得结果，将本钻孔17m以上沉积划分为2个孢粉组合带，自下而上各孢粉组合带特征分析如下(如图7所示)：

图7 孢粉百分比图

(1)孢粉带I(17～8.5m)：

本带5个样品(D01-6-D01-10)，全部达到孢粉统计量(≥50粒)，孢粉总浓度为4粒/g，孢粉组合中草本植物花粉(55%～70.1%，平均63.76%)占绝对优势，其次是木本植物花粉(19%～35.4%，平均26.86%)，蕨类孢子(2.14%～11.11%，平均5.6%)含量较低。草本植物花粉中以蒿属(38.38%)居多，还有少量的藜科(8.94%)、禾本科(8.68%)、十字花科(1.87%)和紫菀属(1.42%)等；木本植物花粉中松属(18.66%)稍多，还可见落叶栎属(3.72%)、鹅耳枥属和桦属等；蕨类孢子中有中华卷柏(2.99%)、铁线蕨属(1.21%)和鳞盖蕨属(1.04%)等。由孢粉组合带特征分析，该阶段植被类型为疏林草原，气候温和偏干。

(2)孢粉带II(6～1m)：

本带5个样品(D01-1-D01-5)，3个样品未达到孢粉统计量，孢粉总浓度为1粒/g，随着草本植物花粉(67.2%～85.7%，平均76.74%)含量的上升，木本植物花粉(11.4%～31.2%，平均18.02%)减少，蕨类孢子进展0-5.9%，平均2.08%。草本植物花粉中以蒿属(44.3%)和藜科(20.76%)为主，还可见少量的禾本科(5.56%)、豆科(0.94%)、莎草科和香蒲等；木本植物花粉中主要有松属(8.76%)、榆属(2.62%)、鹅耳枥属(1.68%)、山毛榉属(1.58%)、落叶栎属(1.42%)和桦属(1.02%)等；蕨类孢子中仅见零星的中华卷柏和鳞盖蕨等。该阶段孢粉浓度降低，草本植物耐寒成分篙属和藜科比例上升，并且含量增高，因此，根据孢粉组合带特征分析当时的植被类型为针阔混交林-草原，气候温凉干燥。

4 讨论

4.1 南阳盆地膨胀土成因分析

南阳盆地在隆起和凹陷区域均有膨胀土的分布，但成因类型有差异。南阳盆地膨胀土主要在新近系与第四纪更新世形成，这个时期的南阳盆地在燕山运动构造活动下处于上升和剥蚀的环境中，构造断裂显著，物源丰富，形成了氧化-还原的沉积环境，地表广泛分布着冲洪积、冲积、洪积和河湖相沉积类型的膨胀土，地质构造运动是形成盆地膨胀土的主要因素之一。研究区社旗县位于南阳盆地东北地带，处在盆地边缘。根据地层信息可知，该区域发育了大量粉质粘土、粘土、砂质粘土和粗砂等，其颜色一般为棕黄色、棕红色、褐色；粘土中夹杂着直径约为1～6cm的钙质结核，并没有出现铁锰质结核，表现出沉积膨胀土属于第四纪时代产物。由于受钻孔深度和试验数据偏少，本次仅对分布在地表或浅部且对工程危害较大的第四纪中、上更新统地层进行分析。根据地层沉积环境，以及前述的土层自由膨胀率结果、矿物成分及孢粉特征等，研究区第四纪中更新统膨胀土主要以中膨胀性为主，局部为强膨胀，由冲洪积作用形成；而上更新统膨胀土主要为中膨胀性，由冲积、湖积作用形成，见表3。

表3 南阳盆地膨胀土的成因类型

4.2 粘土矿物成因与古气候关系

研究区膨胀土颜色变化明显，棕黄、灰黄、棕色、褐色、褐黄、灰黄、棕黄、棕红、棕黄、灰黄，剖面垂直变化显著；粘土矿物在剖面垂向方向产生的差异主要受区域气候环境影响，研究区粘土矿物以含有较多的伊/蒙混层、伊利石和绿泥石为特征来展开分析。由孢粉带来看，两带属于从温和偏干到温凉干燥的气候转换过程，而伊/蒙混层的产生主要是受控气候变化的影响，从剖面中富含大量不同含量的伊/蒙混层可以印证这一点；伊/蒙混层在6m处矿物含量最大，可能是剖面沉积物中伊利石、绿泥石的含量相对减少所致。而剖面中伊利石并没有向蒙脱石、高岭石转化，说明该阶段淋滤作用较弱，气候环境适合伊利石的保存，由孢粉带证明了这一点。绿泥石的产生表明当时干旱的气候环境，与孢粉带Ⅱ结果一致，但在孢粉带I处绿泥石消失，主要气候环境温和偏干，不适宜绿泥石的形成。

南阳盆地膨胀土遭受了不同程度的后期风化改造。但从钻孔剖面上看富含大量的钙质结核也可为研究提供信息。钙质结核形成于干旱半干旱构造环境，其富含大量盐酸盐矿物，同时也反映出风化环境由弱酸性向弱碱性，干旱、半干旱转变的气候条件。

综上可知，南阳盆地粘土矿物种类及含量变化受控的影响因素不同，从整体矿物含量与孢粉记录结果来看，矿物含量不均匀，并出现极大小值，除了受控气候环境外，还受到其它粘土矿物含量及碎屑物含量变化的影响，使粘土矿物含量发生变化。因此，研究南阳盆地膨胀土成因、形成时代、古气候意义，对认识和了解地质时期，尤其是第四纪盆地构造演化特征与气候变化是十分有意义的。

5 结论

(1)南阳盆地膨胀土主要分布于盆地边缘山麓丘陵、山前平原与盆地内垄岗、河谷的Ⅱ级阶地。

(2)研究区膨胀土成因类型主要有冲积、冲洪积、河湖相沉积，每种成因类型均有不同特点，其膨胀潜势主要以中膨胀潜势为主，平均80.2%，局部为强膨胀性；随土层深度的增加，自由膨胀率呈非线性变化。

(3)南阳盆地膨胀土堆积时期，古气候出现了温和偏干、温凉干燥的气候转换，产生的粘土矿物组成为：伊/蒙混层为主体矿物，其次为伊利石和绿泥石；粘土矿物含量随土层深度的增加呈非线性关系，无明显变化规律，表明粘土矿物含量对气候环境敏感，易受到其它粘土矿物和碎屑物含量变化的影响，且粘土矿物与气候之间可以相互指示。

(4)由于膨胀土造成一系列危害(房屋裂缝、路基裂缝、浅层滑坡等)，研究该区域膨胀土成因有助于对膨胀土更深刻地认识，对膨胀土危害进行有效预测与防治，减少危害发生。