学习笔记:【BOEG】黄土湿陷过程中矿物学转化机制及微观结构特征
本研究考察了不同浸泡条件下，矿物成分转化对兰州黄土湿陷机理的影响。兰州黄土以及钠长石、方解石和白云石被用作实验材料。在不同的浸泡时间后进行X射线衍射（XRD）、电感耦合等离子体（ICP）光谱和激光衍射粒度分析，以评估矿物组成、离子浓度和粒度分布。扫描电子显微镜用于检查颗粒接触和孔结构。在浸泡的前0-24小时内，可溶性盐和碳酸盐的溶解破坏了胶结接触，导致孔隙快速塌陷和结构破坏。在24~336 h之间，钠长石经历了水化和破裂，进一步削弱了黄土骨架，导致持续沉降。从336到672 h，石英、蒙脱石和高岭石等次生矿物——由长石水化产生——开始填充孔隙，减小孔径，增加孔隙数量，并逐渐稳定微观结构。在这个阶段，崩溃过程已经接近完成。这些发现为兰州地区的工程实践提供了理论依据，增强了对湿陷性黄土在水渗透下行为的认识。研究目标与背景
- 科学问题
- 兰州黄土（中国黄土高原西部）具有显著自重湿陷性，遇水时胶结结构迅速劣化，引发工程灾害。
- 现有研究未能系统揭示矿物组成时变演化对湿陷机制的控制作用。
- 创新点
- 首次通过时序实验（0–672 h）量化钠长石水化、碳酸盐溶解与微观结构演变的耦合关系。
实验方法
材料与流程：
- 样品：兰州永登县Q3黄土（深度10 m），主要矿物为石英(42.6%)、钠长石(23.2%)、方解石(7.7%)、白云石(4.1%)。
- 设计：黄土及纯矿物（钠长石/方解石/白云石）浸水实验，设置7个时间节点（1/30 h至672 h）。
分析技术：
ICP-MS：离子浓度动态（Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）。
核心发现
1. 矿物反应的三阶段模型
| 阶段 | 主导反应 | 微观现象 |
|---|
| 0–24 h | | 可溶盐快速溶解 → 胶结破坏 → 孔隙塌陷（湿陷量70%） |
| 24–336 h | 钠长石水化（NaAlSi₃O₈ + H₂O → 蒙脱石） | 骨架矿物破碎 → 颗粒细粒化（>20μm颗粒减少2.7%） → 持续沉降 |
| 336–672 h | | |
2. 微观结构演化机制
- 孔隙转型：浸水前以悬浮孔为主（>50%），672 h后转为镶嵌孔主导（稳定性↑）。
- 接触方式：胶结接触 → 点-点接触（0–24 h） → 点-面接触（24–336 h） → 面-面接触（336–672 h）
- 颗粒细化：d₁₀从5.11 μm降至3.98 μm，黏粒含量增加（Albite破碎导致）[表3]。
3. 离子溶出动力学
- Na⁺：早期（<12 h）峰值来自可溶盐，后期来自钠长石水化。
- Ca²⁺/Mg²⁺：168 h达溶解峰值（方解石0.41%，白云石0.65%）→ 后期再沉淀。
湿陷机制新认识
- 短期湿陷主因：碳酸盐溶解导致胶结失效（0–24 h快速塌陷）。
- 长期变形驱动力：钠长石水化引发骨架重组（24–336 h持续沉降）。
- 自稳机制：次生矿物填充孔隙（>336 h结构再稳定）。
🏗️ 工程意义
- 灾害防控：早期防水重点阻断盐溶，长期需抑制钠长石水化（如改良剂设计）。
- 模型构建：矿物转化序列为湿陷数学模型提供参数约束（对比Sadeghi et al. 2024水力模型）。
✅ 结论
“兰州黄土湿陷本质上是水-岩相互作用驱动的矿物相变与结构重组过程：盐溶启动崩溃 → 长石水化延续破坏 → 次生矿物促稳” （附注：全文通过多尺度实验首次阐明钠长石水化对湿陷的长期贡献，为黄土区工程地质风险评估提供新理论框架。）
原文出处：https://doi.org/10.1007/s10064-025-04679-0【对文章的认识与理解仅代表本人意见，欢迎批评指正】
