贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩（土）作用

刘建强; 许强; 郑光; 陈达; 王卓; 蒋金晶

doi:10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.202103009

贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩（土）作用

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川成都　610059

基金项目: 国家自然科学基金重点项目（41630640）

详细信息

作者简介: 刘建强（1997-），男，硕士研究生，主要从事地质灾害机理及防治方面研究。E-mail：qiangcdut@qq.com

通讯作者: 许强（1968-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测评价及防治处理方面的教学与研究工作。E-mail：xq@cdut.edu.cn

中图分类号: P642.1

收稿日期: 2021-03-02

修回日期: 2021-07-18

刊出日期: 2023-03-15

Water-rock /soil interaction reflected by the chemical characteristics of groundwater of Jichang landslide in Guizhou Province

State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geo-environment Protection (Chengdu University of Technology), Chengdu, Sichuan　610059, China

More Information

Corresponding author: XU Qiang, xq@cdut.edu.cn

Received Date: 02 March 2021

Revised Date: 18 July 2021

Publish Date: 15 March 2023

摘要

摘要:
滑坡体水-岩（土）作用是一种复杂的物理化学综合作用，影响坡体的稳定性，但关于目前水-岩（土）相互作用对地质灾害发生方面的影响研究仍较为薄弱。以贵州省鸡场滑坡为研究对象，分析滑坡区岩土体矿物组成和化学成分特征，结合区域内基岩裂隙水、大气降水的成分变化，利用主成分分析方法，研究鸡场滑坡水-岩（土）作用过程，并分析水岩演化作用对滑坡稳定性的影响。结果表明：（1）滑体内玄武岩的风化过程是一种机械破碎-矿物蚀变耦合的水-岩相互作用，发生在“微观-细观-宏观”3种尺度上；（2）选取前3个因子Z₁、Z₂、Z₃（分别占总方差的49.365%、27.135%、15.092%）分析地下水的化学特征，主因子Z₁反映了玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用，主因子Z₂反映了地下水的蒸发作用与SiO₂溶解度随pH变化的矿物沉淀作用，主因子Z₃反映了地下水与岩（土）体间存在离子交换作用且主参与离子为Mg²⁺和K⁺；（3）水岩作用产物主要为伊利石、蒙皂石、绿泥石等黏土矿物，使得岩体结构面内黏土矿物含量增加，岩体劣化损伤，对滑带的形成及滑坡的解体产生重要影响。由此研究说明滑坡地下水与岩土体相互作用的主要过程能被主成分分析结果充分反映。
- 鸡场滑坡 /
- 水-岩（土）相互作用 /
- 地下水 /
- 化学性质 /
- 主成分分析 /
- 矿物成分
Abstract:
The water-rock/soil interaction of a landslide is a complex physical and chemical synthesis, which seriously affects the stability of the slope. Research on the water-rock/soil interaction of a landslide on the occurrence of geological disasters is relatively weak. This article takes the Jichang landslide as the research object, analyzes the characteristics of the mineral composition and chemical composition of the rock and soil in the landslide area, combines the compositional changes of bedrock fissure water and atmospheric precipitation in the area, and uses the principal component analysis method to study the water-rock of the Jichang landslide The process of action and the influence of water and rock evolution on the stability of landslides are analyzed. The results show that: (1) The weathering process of basalt in the sliding body is a water-rock interaction coupled by mechanical crushing-mineral alteration, occurring on “micro-micro-macro” three scales. (2) The first three factors, accounting for 49.365%, 27.135%, and 15.092% of the total variance, respectively, are selected to analyze the chemical characteristics of groundwater. The main factor Z₁ reflects the control effect of the dissolution of basalt primary minerals on the chemical composition of the groundwater, the main factor Z₂ reflects the evaporation of groundwater and the precipitation of minerals in which the solubility of SiO₂ changes with pH, and the main factor Z₃ reflects the ion exchange between groundwater and rock (soil) with the main participating ions being Mg²⁺ and K⁺. (3) The products of water-rock interaction are mainly clay minerals such as illite, smectite and chlorite, which increase the content of clay minerals in the structural plane of the rock mass, deteriorate and damage the rock mass, significantly influcing the formation of slip zones and the disintegration of landslides. The results of principal component analysis of groundwater can reflect the main process of interaction between landslide groundwater and rock/soil.
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岩体风化一般是指在水（溶解有氧气、二氧化碳，甚至有机酸等物质的水溶液^[1]）、空气、温度等生物应力与岩土体发生相互作用的过程中，岩土体内部结构、矿物成分以及岩体力学性质发生变化，地下水继续在岩体中流动带走地下水与岩土体作用后的产物，从而继续加速其进程的现象^[2]。岩石风化包含于岩体风化中，是指岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象。而水-岩（土）相互作用是在化学与力学的耦合作用下，水岩系统发生的地下水溶质迁移和地层地质结构变化，即水-岩（土）相互作用是岩石风化中的重要一环。与滑坡体内水-岩（土）相互作用密切相关的不仅仅是地下水的化学成分，还有地下水流经的岩土体的结构信息及组成成分，通过研究地下水与周围岩土体相互作用的机理，可以揭示岩体的结构、组成成分、力学性质的变化。

国内外已有许多学者对这一课题进行了不同程度不同方向的研究。一些学者在岩土体的矿物成分上进行水-岩（土）相互作用的分析，如，Shuzui^[3]认为流经滑带的地下水的化学性质与位于滑带土中蒙脱石矿物的形成密切相关；Wen等^[4]对滑带土与周围岩土体成分的差异及变化进行对比分析，认为富含黏土矿物的滑带及软弱泥化带在水的作用下极易发生失稳；易连兴^[5]以关岭县大寨滑坡为例，建立了基岩裂隙水和岩溶管道水复合水动力场对滑坡的影响模式；严春杰等^[6]研究发现当滑带土中水敏感性较强的蒙脱石及蛭石含量较高时，容易对滑坡产生不良影响；江洎洧等^[7]以三峡黄土坡滑坡为研究对象，发现地下水中含钙质岩体会产生强烈的溶蚀作用，从而引起岩（土）体的物理力学性能大幅降低。也有部分学者在实验室内通过研究水溶液的化学性质，来研究水-岩（土）相互作用。如，周翠英等^[8]通过分析红层在不同饱水状态时水溶液中阴阳离子浓度的变化规律，研究软岩的遇水软化过程。孙德安等^[9]通过红黏土浸水变形试验，研究了红黏土在浸水作用下变形过程；刘立才等^[10]通过开展动态含水层模拟试验，研究了南水北调水源进入含水层过程中发生的硝化反应和阳离子交换吸附作用。

由于目前水-岩（土）相互作用对于地质灾害的发生方面的影响研究仍较为薄弱，通过该技术路线研究滑坡体水-岩（土）相互作用的文献更少，因此，本文以贵州省六盘水市鸡场镇滑坡为例，选取滑坡体不同高度、不同部位处基岩裂隙水进行主成分分析，深入探讨滑坡中水-岩（土）相互作用机理及其如何影响滑坡稳定性，以对该类滑坡体及玄武岩区相似灾害的防治提供参考。

1. 鸡场滑坡概况及岩体特征

1.1 滑坡概况

2019年7月23日，贵州省水城县鸡场镇坪地村岔沟组山体发生了一起特大型滑坡地质灾害, 1600人受灾，43人遇难，9人失联，经济损失超1亿元。滑坡区域地质图如图1所示，鸡场滑坡主滑方向为26°，滑坡后缘陡壁高程1665 m，坡脚高程1200 m，滑坡的相对高差465 m，滑坡滑源区位于斜坡中上部，剪出口位于X244县道处，高程在1510～1520 m之间，滑源区宽150～180 m。

图 1. 鸡场滑坡区附近地质图

1—乡镇；2—鸡场滑坡；3—河流；4—滑坡堆积物；5～8—三叠系中～下统嘉陵江组第4、3、2、1段；9～12—三叠系下统飞仙关组第4、3、2、1段；13～15—二叠系上统宣威组第3、2、1段；16～17—二叠系上~中统峨眉山玄武岩组第2、1段；18～19—二叠系中统茅口组第2、1段；20—二叠系中统栖霞组第2段

Figure 1. Geological map of the investigated area showing the outline of Jichang landslide

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1.2 滑坡岩体特征

滑坡区岩性为风化严重的玄武岩，结构破碎，性质软弱，不利的岩性条件是鸡场滑坡失稳的重要因素之一，且鸡场滑坡地下水富集，多为基岩裂隙水，水-岩（土）化学作用强烈。相关地质资料显示，在滑坡区中主要的喷发旋回有2个，第二喷发旋回始于第一喷发旋回顶部的火山碎屑岩消失处，从而在2个喷发旋回中形成了一层厚0.5～2.5 m的凝灰岩夹层，在凝灰岩两侧分别为上部松散的深灰色块状玄武岩及含杏仁状气孔状玄武岩，下部致密的深灰色厚层块状玄武岩^[11]。根据整个滑坡的运动破坏特征，将滑坡区分为滑源区、铲刮-堆积区、堆积区3个区，绘制滑坡平剖面图（图2），分为左缘、右缘2条纵向剖面。由图2（a）可以看出，滑坡后壁基岩出露，地势陡峭；滑坡左缘侧壁基岩出露较少，主要是碎石土覆盖层，且黏土质较多，碎块石较少；滑坡右壁出露较多强风化玄武岩基岩，由于风化程度较高，加上玄武岩的特殊风化形式，发育成明显的“石夹土”特征^[12]，如图3（a）所示。

图 2. 鸡场滑坡平剖面示意图

1—粉砂岩；2—泥质粉砂岩；3—黏土岩；4—豆粒含铁质黏土岩；5—杏仁状玄武岩；6—残留的强风化玄武岩层；7—碎块石堆积体；8—原地面线；9—滑面

Figure 2. Plan and section diagram of Jichang landslide

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图 3. 宏观-细观-微观尺度下的鸡场滑坡区玄武岩结构特征

Figure 3. Structural characteristics of basalt in Jichang landslide area under macroscopic, microscopic and microscopic scales

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滑源区上部玄武岩呈黄色块裂状，玄武岩表层可以用手指轻易刻出划痕。切开玄武岩块，可以看到明显的核心石与外层风化腐岩壳的层状结构，给人一种“石夹土”的视觉效应，如图3（c）所示。取滑源区玄武岩样本进行薄片鉴定可以看到玄武岩中杏仁体的内部基本上全由隐晶状的鳞绿泥石充填，而占比70%的斜长石微晶基本都有强蒙皂石化或者强泥化，这就形成了微观上的“石夹土”结构，如图3（d）所示。根据薄片鉴定结果，可以判断滑源区玄武岩处于风化的中级阶段。

2. 试样采集与分析方法

通过前文的调查结果可以看出，滑源区玄武岩这种微观-细观-宏观上都有的“石夹土”结构反映出该区域内玄武岩的风化作用可以在多尺度上同时进行，而这种多尺度的水-岩（土）相互作用又为裂隙水及孔隙水的流动提供了条件。风化溶解液流入这些孔隙、裂隙发生水-岩（土）相互作用后，能够携带其产物经由空隙继续向外迁移，从而促进岩体内部源源不断地产生水-岩（土）相互作用。因而取滑坡体上不同部位基岩裂隙水进行水化学分析，能够反应区域内玄武岩岩体中发生的水-岩（土）相互作用。鸡场滑坡区内的地下水主要是基岩裂隙水及松散层孔隙水，在滑坡区内有多个基岩裂隙水露头出露，本文主要研究滑坡区内不同部位出露的基岩裂隙水。2020年8月4日在滑坡区不同高程、不同部位的基岩裂隙水出露处取地下水样及岩土体样本，共计9组水样和15组岩样，采样点如图4所示，并于2020年8月3日采集了2个本区雨水样本，对上述水样进行水化学分析。为从元素成分上更好地分析滑坡中发生的水-岩相互作用，对上述岩土体样本进行矿物成分分析，结果见表1、表2，其中R₁代表滑坡后壁基岩裂隙水出露处结构面夹层土，R₂代表裂隙水出露处较致密的杏仁状玄武岩，R₃代表滑坡后壁出露的肉眼可见较松散的灰绿色蚀变杏仁状磁化玄武岩，R₄代表堆积体玄武岩中有“石夹土”现象的外圈强风化部分，R₅代表内部弱风化部分。

图 4. 鸡场滑坡3D全貌影像及样点位置

Figure 4. 3D full-view image of the Jichang landslide and the location of the sampling point

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表 1. 鸡场滑坡内岩土体X-矿物衍射分析结果

Table 1. Analysis results of X-mineral diffraction of rock and soil mass in Jichang landslide

样品	R₁	R₂	R₃	R₄	R₅
辉石/%	9.6	20.3	10.4	—	31.2
石英/%	9.3	2.6	3.2	16.7	3.4
钾长石/%	2.7	2.6	3.4	1.8	2.5
斜长石/%	16.2	47.2	41.0	8.8	31.8
磷灰石/%	1.8	2.4	2.2	3.0	2.0
钛铁矿/%	3.6	3.3	4.1	5.0	3.2
磁铁矿/%	5.7	1.1	6.2	1.3	—
褐铁矿/%	3.5	2.5	1.3	10.7	9.1
伊利石/%	9.5	0.9	12.7	3.2	0.8
蒙皂石/%	32.3	2.7	13.5	33.7	4.2
绿泥石/%	5.7	14.3	2.0	15.8	11.8
注：结果均为质量占比；“—”表示无此成分。R₁代表滑坡后壁基岩裂隙水出露处结构面夹层土，R₂代表裂隙水出露处较致密的杏仁状玄武岩，R₃代表滑坡后壁出露的肉眼可见较松散的灰绿色蚀变杏仁状磁化玄武岩，R₄代表堆积体玄武岩中有“石夹土”现象的外圈强风化部分，R₅代表内部弱风化部分。

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表 2. 鸡场滑坡内岩土体元素分析结果

Table 2. Analysis results of rock and soil elements in Jichang landslide

样品	R₁	R₂	R₃	R₄	R₅
Na₂O/%	0.16	2.77	0.89	—	1.17
MgO/%	3.23	4.47	3.25	1.90	3.67
Al₂O₃/%	14.71	13.58	15.19	17.79	13.68
SiO₂/%	43.79	44.46	47.87	36.89	44.96
P₂O₅/%	0.75	1.00	0.92	1.22	0.82
SO₃/%	1.63	1.45	1.17	0.37	1.66
K₂O/%	3.66	0.73	4.85	2.08	2.07
CaO/%	3.37	5.92	3.1	0.54	8.03
TiO₂/%	2.15	2.11	2.44	3.62	2.51
V₂O₅/%	0.09	0.09	0.06	0.13	0.09
Cr₂O₃/%	0.01	0.02	—	0.01	0.04
MnO/%	0.26	0.24	0.08	0.24	0.30
FeO/%	5.55	10.99	4.51	3.71	12.41
Fe₂O₃/%	13.88	8.49	10.83	22.00	5.88
LOI/%	6.74	3.69	4.86	9.49	2.71
注：结果均为质量占比；“—”表示无此成分。

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地下水化学成分是多变量的复杂函数，常常与水-岩作用的规模、时间、地质历史等因素有关，使得水-岩系统演化研究变得困难^[13]。正是由于这种多变量的情况，本文采用主成分分析法，对地下水的化学成分进行降维处理，利用较少的指标来反映地下水中多个指标提供的信息，用于揭示控制这些原始信息间的内在因素。

3. 结果

3.1 滑坡岩土体矿物成分

对所采岩土体试样进行矿物成分及全元素分析（表1）。可以看出岩土体试样矿物成分中辉石与斜长石总体占比较高，主要次生黏土矿物为伊利石、蒙皂石和绿泥石，且区域内各类岩土体中黏土矿物的含量都极高，达到了30%左右，从R₄、R₅可以看出，风化作用主要在矿物成分中的辉石、斜长石上进行，大量的辉石、斜长石被蒙皂石化、绿泥石化，这与薄片鉴定结果一致。

岩土体试样的元素分析结果如表2所示，可以看出岩土体试样中SiO₂含量极高，且各类氧化物中，MgO及CaO也在不同岩土体中占有较高比例，而FeO及Fe₂O₃的含量占比都达到20%左右，这也与区域内的玄武岩在薄片鉴定中都含有20%左右的磁铁矿相吻合。

3.2 滑坡区地下水化学特征

滑坡区内玄武岩的“石夹土”结构为降雨后基岩裂隙水的补给与排泄提供了通道^[14-15]。滑坡体水样分析结果见表3，水样中的 ${\rm{HCO}}_3^-$ 和Ca²⁺质量浓度较高，其中 ${\rm{HCO}}_3^-$ 的质量浓度均大于10 mg/L，Ca²⁺的质量浓度均大于2.5 mg/L，从化学特征上看滑坡区内地下水类型为HCO₃—Ca型水。对比雨水样及基岩裂隙水样的pH值可以看出，基岩裂隙水的pH值明显高于雨水样的pH值，滑坡区内地下水呈弱酸性，其中，基岩裂隙水样的pH值均大于6，且滑坡区内雨水较流经滑坡体排出后的雨水酸性明显增大。除此之外，滑坡区域内雨水Cl⁻含量偏高，雨水样的TDS值明显低于基岩裂隙水样的TDS值，且随取样高程变低，地下水内的TDS呈明显上升趋势，说明地下水在流经岩土体后，携带岩土体中的易溶物质进入地下水，导致地下水的化学成分较雨水发生了明显的变化。

表 3. 贵州省鸡场滑坡地下水及雨水化学成分分析结果

Table 3. Major ions of groundwater in the Jichang landslide

样品编号	质量浓度/（mg·L⁻¹）									pH
样品编号	SiO₂	Mg²⁺	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻			TDS	pH
雨水1	1.01	0.78	2.86	0.10	0.16	1.34	—	10.08	10.31	6.0
雨水2	1.28	—	2.70	0.10	1.11	0.68	—	10.08	10.44	4.9
试样3	33.53	0.96	2.70	1.06	1.23	0.23	0.85	16.37	15.21	6.9
试样4	22.53	1.59	6.61	1.28	0.24	0.4	1.12	27.71	25.73	6.8
试样5	17.53	1.27	5.16	1.69	0.15	0.23	5.11	21.41	26.04	6.6
试样6	18.53	1.36	6.35	1.44	—	0.13	3.57	25.19	27.77	7.1
试样7	19.87	1.24	5.87	0.58	0.50	0.38	4.87	25.19	22.51	6.4
试样8	21.20	1.18	6.35	0.96	0.18	0.36	5.56	25.19	29.08	6.8
试样9	18.87	1.26	6.03	0.96	0.27	0.42	6.35	25.19	28.39	6.6
试样10	3.28	—	7.94	1.64	0.14	0.24	6.79	31.49	31.92	6.9
试样11	10.88	1.55	15.87	3.85	0.38	0.83	8.21	62.97	63.91	7.1
注：（1）雨水1与雨水2均为8月3日在滑坡附近所接雨水，其余试样为滑坡体上基岩裂隙水；（2）滑坡体中基岩裂隙水取样时间均为8月4日，取样点如图3中所示。

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4. 分析与讨论

4.1 地下水化学主成分分析

利用SPASS软件进行主成分分析，得到地下水化学成分间的相关系数矩阵（表4），可知， ${\rm{HCO}}_3^-$ 与Ca²⁺、Na⁺相关系数最高，其相关系数均大于0.9。这是因为玄武岩中的辉石与斜长石等矿物与地下水发生了活跃的水-岩相互作用，而 ${\rm{HCO}}_3^-$ 是重要的水-岩相互作用产物；区域内岩样元素分析报告显示，区域内岩体含有丰富的易与水发生反应的Na₂O及CaO等化学成分，在地下水流经岩体后，岩体中的Na₂O与CaO与地下水发生反应使得地下水中Ca²⁺、Na⁺浓度变高。而Na₂O与CaO与水发生反应后生成Ca²⁺、Na⁺及OH⁻，这就是为什么pH较雨水会不断增大，且随着地下水中OH⁻浓度的增大，空气中的CO₂更易与其反应生成 ${\rm{HCO} }_3^-$ 。主成分分析选择特征值大于1、累积方差贡献率大于70%的因子作为主成分，选择前3个变量因子Z₁、Z₂、Z₃作为主成分就可以反应出92%的信息。贵州省鸡场滑坡地下水的化学成分主成分分析结果如表5所示。对所选的3个主成分，分别分析其对应的水-岩（土）相互作用规律。

表 4. 鸡场滑坡地下水化学成分间的相关系数矩阵

Table 4. Correlation matrices of the major ions of groundwater in the Jichang landslide

因子	SiO₂	Mg²⁺	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻
SiO₂	1	0.624	−0.083	0.086	0.181	−0.613	0.019	0.024
Mg²⁺		1	0.390	0.419	−0.356	−0.126	0.255	0.429
Ca²⁺			1	0.915	−0.347	0.037	0.759	0.992
Na⁺				1	−0.244	−0.116	0.683	0.933
K⁺					1	0.017	−0.465	−0.282
Cl⁻						1	−0.288	−0.027
							1	0.756
								1

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表 5. 鸡场滑坡地下水化学成分主成分分析结果

Table 5. Results of the principal component analysis ofgroundwater in the Touzhai landslide

主因子	Z₁	Z₂	Z₃
SiO₂	0.138	0.960	0.039
Mg²⁺	0.561	0.514	−0.422
Ca²⁺	0.947	−0.241	0.145
Na⁺	0.920	−0.059	0.245
K⁺	−0.472	0.169	0.799
Cl⁻	−0.171	−0.743	−0.167
	0.842	−0.057	0.030
	0.955	−0.144	0.202
特征值	3.949	1.851	1.226
方差贡献率/%	49.365	27.135	15.092
累积贡献率/%	49.356	76.500	91.592

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4.1.1 主因子Z₁

在主因子Z₁中Na^+、Ca²⁺、Mg²⁺、 ${\rm{HCO}}_3^-$ 及 ${\rm{SO}}_4^{2-}$ 为主导因子，在总方差贡献率中占49.365%。薄片鉴定结果（图5）显示区域内岩体的风化作用明显，在送检的14个样本中都发现了明显的原生矿物溶蚀痕迹，期间微晶斜长石、辉石都有不同程度的蒙皂石化，且在所有样本中斜长石微晶（约80%）皆有强蒙皂石化或者强绿泥化；在表1中也可看出 ${\mathrm{R}}_{4}$ 、 ${\mathrm{R}}_{5}$ 中内部风化程度较轻的部分辉石及长石含量明显高于风化程度较高的外部， ${\mathrm{R}}_{4}$ 中的蒙皂石及绿泥石含量较 ${\mathrm{R}}_{5}$ 中明显增高的现象与薄片鉴定结果符合。地下水中Ca²⁺、Mg²⁺的增多主要是由于辉石的溶解及钙长石、纳长石与辉石的绿泥石化，Na⁺的增多主要是由于长石中钠长石部分在酸性水中发生蒙皂石化产生，其化学反应方程式如下：

图 5. 玄武岩岩块薄片鉴定图

Figure 5. Thin section analysis of basalt

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（1）辉石的溶解

$\begin{split} &{\rm{CaMgSi_{2}O_{6}+CaFeSi_{2}O_{6}+CaAl_{2}SiO_{6}+H^+}}\to\\ &{\rm{Ca^{2+}+Fe^{2+}+Mg^{2+}+Al^{3+}+SiO_{2}}} \end{split}$

（2）辉石的绿泥石化

$\begin{split} &{\rm{CaMgSi_{2}O_{6}+CaFeSi_{2}O_{6}+CaAl_{2}SiO_{6}+OH^-}}\to\\ &{\rm{Ca^{2+} +Fe^{2+} +Mg^{2+}+Mg_{2}Fe_{3}Al_{2}Si_{3}O_{10}(OH)_{8}+H^++H_{2}O}} \end{split}$

（3）钠长石及钙长石绿泥石化^[16]

$\begin{split} &{\rm{NaAlSi_{3}O_{8}+Fe^{2+}+Mg^{2+}+H_{2}O\to}}\\ &{\rm{Mg_{2}Fe_{3}Al_{2}Si_{3}O_{10}(OH)_{8}+Na^++H^++SiO_{2}}} \end{split}$

$\begin{split} &{\rm{CaAl_{2}Si_{2}O_{8}+Fe^{2+}+Mg^{2+}+H_{2}O+SiO_{2}}}\to\\ &{\rm{Mg_{2}Fe_{3}Al_{2}Si_{3}O_{10}(OH)_{8}+Ca^{2+}+H^+}} \end{split}$

（4）钠长石的蒙皂石化

$\begin{split} &{\rm{NaAlSi_{3}O_{8}+H^+}}\to\\ &{\rm{Na^++Na_{0.33}Al_{2.33}Si_{3.67}O_{10}(OH)_{2}+SiO_{2} }} \end{split}$

而地下水中 ${\rm{SO} }_4^{2- }$ 主要是由岩土体中含有的部分硬石膏中的SO₃与水发生反应从而使得地下水中 ${\rm{SO} }_4^{2- }$ 浓度增加^[17]，硬石膏是重要的造岩矿物，绝大多数岩石中都有该成分。 ${\rm{HCO} }_3^-$ 在地下水中增多则是由于地下水呈酸性，而CO₂在酸性溶液中溶解后存在碳酸的两步电离：

第一步：H₂CO₃= ${\rm{HCO} }_3^-$ +H⁺

第二步： ${\rm{HCO} }_3^-$ = ${\rm{CO}}_3^{2-}$ + H⁺

这两步电离都为可逆反应，在酸性溶液中已有大量H⁺，第二步反应中则会趋向生成 ${\rm{HCO} }_3^-$ 使得溶液中 ${\rm{HCO} }_3^-$ 浓度增大。

4.1.2 主因子Z₂

主因子Z₂占总方差的27.135%，主要为SiO₂和Cl⁻，且SiO₂为最大的正荷载，Cl⁻为最大负荷载。由表2可知在岩土体元素成分分析中，鸡场滑坡区内岩土体是不含有氯化物的，说明鸡场滑坡岩土体中不能向地下水提供Cl⁻，而由表1可以看出区域内的雨水样本中Cl⁻含量要远高于地下水中Cl⁻的含量，可以推测在区域内水分蒸发过程中Cl⁻容易被水蒸气带入雨水。结合取样时间为当地8月份，天气较热，区域内蒸发量增大且滑坡体滑动后多处基岩裂隙水出露，使得滑坡体内基岩裂隙水的蒸发量变大，Cl⁻由于蒸发作用在地下水中减少。

在主因子Z₂中，SiO₂为最大正荷载。SiO₂在中性溶液（pH=7）中溶解度最低^[18]，且随酸碱性的增大而增大。从雨水的pH可以看出当地雨水呈明显酸性，且滑坡区雨水pH达到4.9。从SiO₂及pH在不同取样点的变化来看随着取样高程的变化，SiO₂在滑坡区最高点达到最大值，这是由于区域内岩土体极高的SiO₂含量和雨水的酸性造成SiO₂大量溶解于地下水中，随着地下水的流动，滑坡体内各类氧化物参与到与水的反应中使得地下水的PH值增高并接近中性，此时溶液中的SiO₂随着溶解度的减少不再发生溶解，而是从溶液中析出，所以随着取样高程的降低SiO₂呈现减少的趋势。

4.1.3 主因子Z₃

主因子Z₃中主导因子为Mg²⁺和K⁺，占总方差的15.092%，其中Mg²⁺为最大负荷载，K⁺为最大正荷载，这是由于地下水与岩土体中发生了阳离子的交换作用，一般认为阳离子的化合价数越高，其交换能力越强。主因子Z₃的结果显示鸡场滑坡区域地下水中发生的阳离子交换与目前阳离子交换能力大小一致。

在主因子Z₃中Na⁺、Ca²⁺的荷载值很低，且无正负荷载关系，说明在滑坡区地下水与岩土体发生离子交换的元素为Mg²⁺和K⁺。尽管Na⁺、Ca²⁺在地下水中的含量较Mg²⁺和K⁺高，但是滑坡区主要发生离子交换的元素还是Mg²⁺和K⁺，可能的原因是Ca²⁺主要参与Z₁中矿物的风化作用，而岩土体中的Na⁺主要在岩土体中发生了绿泥石化和蒙皂石化，产生的易溶物Na⁺则直接进入地下水中，没有进行离子交换作用。而玄武岩中钾长石在风化作用过程中一般发生伊利石化，从表3可以看出玄武岩内部弱风化部分 ${\mathrm{R}}_{5}$ 中钾长石的含量较 ${\mathrm{R}}_{4}$ 中高，而伊利石的含量较 ${\mathrm{R}}_{4}$ 中低，说明区域内玄武岩的风化作用中发生了钾长石的伊利石化。而在伊利石2∶1型层状构造的晶体结构中，K⁺位于晶体层间的两个层位，这种K⁺相对比较稳定，只有位于外表面的K⁺才能与其他阳离子发生离子交换作用^[18]，这说明在伊利石中发生的K⁺交换作用较弱，因此代表Mg²⁺和K⁺的离子交换现象的主因子Z₃的方差贡献率相对较低。

4.2 讨论

滑坡区内地下水对岩体结构的影响，一方面破坏了岩体结构，使得岩土体力学强度下降；另一方面由于滑坡区岩体整体呈破碎状，使得地下水在岩体内的流通路径更为通畅，在这种条件下，滑坡区内地下水更容易与岩（土）体发生水-岩化学作用，导致滑坡区蚀变杏仁状磁化玄武岩中斜长石、辉石等代表性矿物由于水-岩化学作用而转化成为黏土矿物。唐良琴等^[19]提出当黏粒含量达到30%，黏土矿物便能完全控制土的整体强度。R₁、R₂、R₃为滑坡后壁岩土体试样，其中R₁黏土矿物含量达到了47.5%，R₂、R₃黏土矿物含量也达到了17.9%、28.2%，可见区域内岩土体的整体强度受黏土矿物的控制。鸡场滑坡内岩体与水的作用是以机械破碎（物理风化）与矿物蚀变（化学风化）为主的耦合作用。从薄片鉴定结果看，送检的11个岩样中所有斜长石微晶上皆有强蒙皂石化与强绿泥石化，有的斜长石微晶甚至完全被伊利石与绿泥石替代，岩石间丰富的黏土矿物，使得鸡场滑坡区玄武岩体从“岩石块-岩石块”的接触模式转变为“岩石块-黏土-岩石块”，削弱甚至切断了岩块之间的直接联系，从而降低了岩体的力学强度及稳定性，使得岩体从固相介质向松散介质演化^[20]。这种接触条件的变化使得鸡场滑坡内玄武岩体结构面的内法线方向的三维向心风化在宏观至微观尺度上都明显存在，正是这种在不同尺度上都发生的接触条件改变，使得鸡场滑坡区内岩土体整体稳定性降低。

5. 结论

（1）鸡场滑坡地下水为碎裂状玄武岩内的基岩裂隙水，水化学类型为HCO₃—Ca型，区域内雨水呈弱酸性，地下水流经滑坡区后接近中性。

（2）鸡场滑坡内玄武岩体裂隙发育，岩体被切割成2～20 cm的碎块，岩块可用手指划出划痕，判断滑坡内玄武岩体处于风化的中级阶段，主要次生黏土矿物为伊利石、蒙皂石、绿泥石。

（3）地下水的化学成分变化受到水-岩（土）相互作用产物的影响，并且可以反映出鸡场滑坡区域内的水-岩（土）作用过程，包括矿物溶蚀、蒸发、矿物沉淀（SiO₂由于滑坡区内水岩作用导致的地下水随着流经滑坡区的长度增大而增大，最终接近中性，导致SiO₂析出含量降低）以及阳离子的交换类型。

（4）鸡场滑坡区的水-岩（土）相互作用过程是一种机械破碎与矿物蚀变相耦合的过程，且此作用在宏观、细观、微观尺度上都有所体现，滑坡区内碎裂状玄武岩的结构特征使得区域内基岩裂隙水与玄武岩有巨大的水-岩（土）反应界面，使得区域内接触条件由“岩石块-岩石块”向“岩石块-黏土-岩石块”变化，使得岩体的力学强度及稳定性降低。这种丰富的水-岩（土）相互作用也使得岩体结构面内黏土矿物含量增加，当黏土矿物含量较高时，其对滑带形成与滑坡解体作用不可忽视。

图 1 鸡场滑坡区附近地质图

Figure 1.

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图 2 鸡场滑坡平剖面示意图

Figure 2.

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图 3 宏观-细观-微观尺度下的鸡场滑坡区玄武岩结构特征

Figure 3.

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图 4 鸡场滑坡3D全貌影像及样点位置

Figure 4.

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图 5 玄武岩岩块薄片鉴定图

Figure 5.

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表 1 鸡场滑坡内岩土体X-矿物衍射分析结果

Table 1. Analysis results of X-mineral diffraction of rock and soil mass in Jichang landslide

样品	R₁	R₂	R₃	R₄	R₅
辉石/%	9.6	20.3	10.4	—	31.2
石英/%	9.3	2.6	3.2	16.7	3.4
钾长石/%	2.7	2.6	3.4	1.8	2.5
斜长石/%	16.2	47.2	41.0	8.8	31.8
磷灰石/%	1.8	2.4	2.2	3.0	2.0
钛铁矿/%	3.6	3.3	4.1	5.0	3.2
磁铁矿/%	5.7	1.1	6.2	1.3	—
褐铁矿/%	3.5	2.5	1.3	10.7	9.1
伊利石/%	9.5	0.9	12.7	3.2	0.8
蒙皂石/%	32.3	2.7	13.5	33.7	4.2
绿泥石/%	5.7	14.3	2.0	15.8	11.8
注：结果均为质量占比；“—”表示无此成分。R₁代表滑坡后壁基岩裂隙水出露处结构面夹层土，R₂代表裂隙水出露处较致密的杏仁状玄武岩，R₃代表滑坡后壁出露的肉眼可见较松散的灰绿色蚀变杏仁状磁化玄武岩，R₄代表堆积体玄武岩中有“石夹土”现象的外圈强风化部分，R₅代表内部弱风化部分。

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表 2 鸡场滑坡内岩土体元素分析结果

Table 2. Analysis results of rock and soil elements in Jichang landslide

样品	R₁	R₂	R₃	R₄	R₅
Na₂O/%	0.16	2.77	0.89	—	1.17
MgO/%	3.23	4.47	3.25	1.90	3.67
Al₂O₃/%	14.71	13.58	15.19	17.79	13.68
SiO₂/%	43.79	44.46	47.87	36.89	44.96
P₂O₅/%	0.75	1.00	0.92	1.22	0.82
SO₃/%	1.63	1.45	1.17	0.37	1.66
K₂O/%	3.66	0.73	4.85	2.08	2.07
CaO/%	3.37	5.92	3.1	0.54	8.03
TiO₂/%	2.15	2.11	2.44	3.62	2.51
V₂O₅/%	0.09	0.09	0.06	0.13	0.09
Cr₂O₃/%	0.01	0.02	—	0.01	0.04
MnO/%	0.26	0.24	0.08	0.24	0.30
FeO/%	5.55	10.99	4.51	3.71	12.41
Fe₂O₃/%	13.88	8.49	10.83	22.00	5.88
LOI/%	6.74	3.69	4.86	9.49	2.71
注：结果均为质量占比；“—”表示无此成分。

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表 3 贵州省鸡场滑坡地下水及雨水化学成分分析结果

Table 3. Major ions of groundwater in the Jichang landslide

样品编号	质量浓度/（mg·L⁻¹）									pH
样品编号	SiO₂	Mg²⁺	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻			TDS	pH
雨水1	1.01	0.78	2.86	0.10	0.16	1.34	—	10.08	10.31	6.0
雨水2	1.28	—	2.70	0.10	1.11	0.68	—	10.08	10.44	4.9
试样3	33.53	0.96	2.70	1.06	1.23	0.23	0.85	16.37	15.21	6.9
试样4	22.53	1.59	6.61	1.28	0.24	0.4	1.12	27.71	25.73	6.8
试样5	17.53	1.27	5.16	1.69	0.15	0.23	5.11	21.41	26.04	6.6
试样6	18.53	1.36	6.35	1.44	—	0.13	3.57	25.19	27.77	7.1
试样7	19.87	1.24	5.87	0.58	0.50	0.38	4.87	25.19	22.51	6.4
试样8	21.20	1.18	6.35	0.96	0.18	0.36	5.56	25.19	29.08	6.8
试样9	18.87	1.26	6.03	0.96	0.27	0.42	6.35	25.19	28.39	6.6
试样10	3.28	—	7.94	1.64	0.14	0.24	6.79	31.49	31.92	6.9
试样11	10.88	1.55	15.87	3.85	0.38	0.83	8.21	62.97	63.91	7.1
注：（1）雨水1与雨水2均为8月3日在滑坡附近所接雨水，其余试样为滑坡体上基岩裂隙水；（2）滑坡体中基岩裂隙水取样时间均为8月4日，取样点如图3中所示。

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表 4 鸡场滑坡地下水化学成分间的相关系数矩阵

Table 4. Correlation matrices of the major ions of groundwater in the Jichang landslide

因子	SiO₂	Mg²⁺	Ca²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻
SiO₂	1	0.624	−0.083	0.086	0.181	−0.613	0.019	0.024
Mg²⁺		1	0.390	0.419	−0.356	−0.126	0.255	0.429
Ca²⁺			1	0.915	−0.347	0.037	0.759	0.992
Na⁺				1	−0.244	−0.116	0.683	0.933
K⁺					1	0.017	−0.465	−0.282
Cl⁻						1	−0.288	−0.027
							1	0.756
								1

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表 5 鸡场滑坡地下水化学成分主成分分析结果

Table 5. Results of the principal component analysis ofgroundwater in the Touzhai landslide

主因子	Z₁	Z₂	Z₃
SiO₂	0.138	0.960	0.039
Mg²⁺	0.561	0.514	−0.422
Ca²⁺	0.947	−0.241	0.145
Na⁺	0.920	−0.059	0.245
K⁺	−0.472	0.169	0.799
Cl⁻	−0.171	−0.743	−0.167
	0.842	−0.057	0.030
	0.955	−0.144	0.202
特征值	3.949	1.851	1.226
方差贡献率/%	49.365	27.135	15.092
累积贡献率/%	49.356	76.500	91.592

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1. 鸡场滑坡概况及岩体特征
1.1 滑坡概况
1.2 滑坡岩体特征
2. 试样采集与分析方法
3. 结果
3.1 滑坡岩土体矿物成分
3.2 滑坡区地下水化学特征
4. 分析与讨论
4.1 地下水化学主成分分析
4.2 讨论
5. 结论

贵州省鸡场滑坡地下水化学特征反映的水-岩（土）作用

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059

作者简介: 刘建强（1997-），男，硕士研究生，主要从事地质灾害机理及防治方面研究。E-mail：qiangcdut@qq.com

通讯作者: 许强（1968-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测评价及防治处理方面的教学与研究工作。E-mail：xq@cdut.edu.cn