学习笔记:【Aeolian Research】黄土微观结构的起源:来自初始风积尘堆积的3D见解

风成沉积是现代黄土多孔结构形成的基础。然而，黄土粉尘的真实初始堆积结构仍然知之甚少。在这项研究中，我们通过模拟沙尘沉积过程，以成分与古代沙尘相似的马兰黄土为原料，重建了初始黄土沉积物。利用微型计算机断层扫描（μ-CT）对模拟沉积物的微观结构进行了表征，并与天然马兰黄土的微观结构进行了比较。结果表明，初始黄土沉积物具有异常松散的颗粒堆积，孔隙比在2.79~3.75之间。在沉积过程中，由于颗粒间作用力（如范德华力和静电引力）而广泛形成的松散粘土或粉粘土骨料。这些聚集体，连同孤立的碎屑颗粒，充当主要的骨骼成分。骨架颗粒上的表面粘土在粘合相邻颗粒方面起着关键作用，这对于建立和稳定松散的框架是必不可少的。值得注意的是，在所研究的样品中，粘土含量中等（23%）的初始沉积物表现出最松散的微观结构，具有链状颗粒堆积和丰富的大顶部孔隙。最初松散的集料和开放的填料在地质时间内压实，同时保留了结构继承性，导致孔隙空间减少但部分保留，形成了当今黄土的微观结构。这项研究首次提供了初始颗粒级微观结构的直接3D可视化和量化，为理解后续沉积后过程和相关地质力学特性提供了关键参考。

黄土的典型高孔隙、弱胶结结构对其工程力学性质（如湿陷性）有决定性影响。传统模型认为初始风积作用塑造了黄土的原始孔隙结构，但受限于二维观测和理想化模型（如仅考虑重力作用的球体堆积模拟），初始粉尘堆积的真实三维结构及控制机制尚未明确。本研究通过实验室模拟风积过程，结合显微CT技术，首次实现初始黄土沉积（ILD）的三维可视化与量化分析。

方法与材料

材料选择：以中国黄土高原马兰黄土为原料，因其矿物成分和粒级分布接近古粉尘（化学风化弱）。样品取自北（榆林）、中（庆阳）、南（天水）三地，黏土含量分别为15%、23%、26%。

1. 初始沉积模拟：粉尘经75cm自由落体沉积（模拟终端沉降速度），形成初始黄土沉积（ILD）。

2. 微观结构表征：对ILD与天然马兰黄土（PML）进行μ-CT扫描（分辨率1.46μm），量化孔隙率、粒序排列、形态参数（等效直径、伸长率、扁平度、方向角）等。

核心发现

1. 初始沉积（ILD）的结构特征

·超高孔隙率：ILD孔隙比达2.79–3.75，是PML（0.94–1.22）的2.5–3倍，证实初始堆积为极松散结构。

·关键组分：黏土/粉砂-黏土絮凝体（由范德华力/静电力形成）与孤立碎屑颗粒共同构成骨架（图7）。

·黏土含量的调控作用：中等黏土含量（23%，庆阳样品）形成最松散链状结构，发育大量架空孔隙；高黏土（26%）或低黏土（15%）样品结构相对致密，孔隙更小。

·孔隙特征：以大孔隙（>80μm）为主（占孔隙体积80%），呈短柱状/椭球状，倾向垂直或斜向排列。

2. 形成机制

·絮凝体主导：粉尘沉降中，黏土颗粒通过粒间作用力（范德华力、静电引力）形成絮凝体（图16），其与碎屑颗粒以架空格架形式堆积（图14）。

·表面黏土的粘结作用：碎屑颗粒表面的黏土涂层在相邻颗粒间形成粘结，稳定松散结构（图17）。

3. 初始结构与现代黄土（PML）的演化关系

·结构演化：ILD经地质历史期压实和成壤作用后，孔隙率显著降低，形成现代黄土结构（图12），但保留了初始堆积的结构继承性：初始孔隙梯度（北密南疏）仍存于PML；部分架空孔隙在压实中未完全塌陷（图13）。

·工程意义：ILD的原始松散结构是黄土湿陷性的主因——遇水时黏土絮凝体膨胀、胶结软化，导致骨架塌陷。

创新与意义

·首次提供初始粉尘堆积的三维证据，修正了传统模型（仅重力作用+球形颗粒）的局限性。

·揭示中等黏土含量最易形成高湿陷性结构，为黄土工程灾害预测提供新依据。

·提出粒间作用力主导的絮凝-堆积机制，深化对风积过程的理解。

在这项研究中，我们通过模拟风成沉积过程，使用成分类似于原始更新世尘埃的现代马兰黄土（PML）作为源物质，重建了初始黄土沉积物（ILD）。系统地阐明了ILD的三维微观结构特征和潜在的颗粒堆积机制。主要结论总结如下：

（1）ILD表现出异常开放的颗粒堆积结构，空隙率接近3.0。这种结构的特征是松散粘土和粉粘土骨料的普遍存在，它们是高度多孔骨架的关键成分，含有大量大的、相互连接的顶部孔隙。这些孔在形状上主要是短柱状或椭球状，并表现出亚垂直到倾斜的取向。值得注意的是，当组成粉尘具有中等粘土含量（~23%）时，初始微观结构达到其最松散的堆积。

（2）ILD中松散颗粒堆积结构的成因受颗粒间力的控制，主要是范德华力和静电引力，在大气悬浮和沉降过程中起作用。这些主导力促进了松散粘土和粘土-粉土骨料的广泛发育。在沉积时，这些聚集体与分离的碎屑颗粒一起以优选的亚垂直取向积聚。即使在最小配位数（接触点）下，该结构也通过内聚键稳定，最终产生高度开放的链状3D网络。

（3）ILD的亚稳态微观结构，其特征在于其异常松散的堆积和发育良好的顶部孔，经历了实质性的沉积后改性（致密化和重新排列）。然而，通过结构继承，这种初始配置的关键特征被保留下来，从根本上控制了当今黄土的多孔结构。这些遗传特征是黄土独特力学行为的主要决定因素，特别是其在润湿时对水固结（湿陷性）的高度敏感性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2025.101029