CN102967548A - 一种岩石风化速度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩石风化速度的测定方法，利用首次发现的岩石风化作用起始阶段的显微风化特征即岩石破裂后在破裂面形成的微裂隙带不断向岩石内部延伸的自然现象，对岩石风化作用起止点和起止时间作出了明确定义；所述测定方法针对所述显微风化特征，采用显微观测技术、摄像技术和图像处理技术对所述微裂隙带的宽度即岩石风化深度进行定量测量，解决了显微风化特征肉眼难以观测的技术难题；利用人类活动事件或地质事件将岩石破开（风化作用起始）的时间记录，确定所述风化作用的起始时间，解决了风化作用模拟时间难以延长到数十年以上的技术难题。所述测定方法容易掌握，测定结果准确。

Description

一种岩石风化速度的测定方法

技术领域

本发明涉及一种岩石风化速度的测定方法，特别是针对风化深度小于5mm的岩石风化速度的测定方法。

背景技术

岩石风化是外营力对岩石的自然破坏作用，是一种常见的自然现象。岩石风化速度是风化作用在单位时间内对岩石造成的不可恢复的破坏深度。在气候条件、地形地貌条件相同或相似的地区，同种岩石的风化速度是相同或相似的，不同类型的岩石风化速度则可以是不同，同种类型的岩石在不同气候条件、地形地貌条件地区的风化速度也不相同，所以在不同岩石分布区和不同气候条件的地区，由于岩石风化速度不同，地貌演变过程与所形成的地貌类型也具有明显的差异；岩石的风化的过程即为土壤的形成过程，岩石的风化速度是影响当地土壤的形成进程、地表的植被发育以及生态环境的重要因素；风化作用使得岩石的表面强度降低，这一点对于以岩石为基础或者以岩石为原料的建筑工程设计以及石质文物的研究工作十分重要，岩石风化速度的快慢，直接影响到所述建筑工程的长期稳定性和石质文物的持久保存。岩石风化速度的定量测定技术是研究风化作用的重要技术手段，对于地貌科学、生态环境科学、生物科学以及石材抗风化措施的制订、工程稳定性评价与石质文物研究等技术领域不仅具有重要的科学意义，也具有现实的应用价值。

测定岩石的风化速度，首先要测定岩石的风化深度和风化作用时间。风化深度的测定需要确定风化作用的起始点位置；风化作用时间的测定需要确定风化作用的起始时间。由于目前对于岩石风化作用的起止点和起止时间尚没有一个明确的定义，甚至将岩石风化与岩体风化混为一谈，使得岩石风化速度测定方法的研究难以深入。

岩石的风化速度对大多数岩石而言是十分缓慢的，风化特征通常是肉眼难以观察和定量测定的。有研究者为了研究岩石风化速度，将白垩系新鲜泥质粉砂岩样品露天放置在原地约6年时间，仍然难以观察到明显的风化特征，无法测定岩石的风化深度和速度，而这类岩石风化作用的试验又不可能把试验时间无限的延长下去。由于岩石风化深度难以定量测定、风化作用时间难以模拟，从而构成了测定岩石风化速度的两大技术难点。

岩石风化速度定量测定技术的研究，目前在国内刚刚起步，国外也尚未真正解决。据文献报道，现有的测定技术大多是定性的或是间接的。现就已有的测定方法介绍如下：

1、通过测量一定时间内岩石风化损失的重量来反算岩石表面的风化速度；

2、利用不同岩石或矿物抗风化能力的差异性推断岩石风化速度；

3、利用石质文物上字迹的可读性与表面风化脱落厚度的统计关系，并考虑到刻字的时间确定该岩石的风化速度。

到目前为止，尚没有一种能够令人满意的定量测定岩石风化速度的好方法。

发明内容

本发明提供了一种岩石风化速度的测定方法，所述测定方法利用首次发现的岩石风化作用起始阶段的显微风化特征即岩石破裂后在破裂面形成的微裂隙带不断向岩石内部延伸的自然现象，对岩石风化作用起止点和起止时间作出了明确定义；所述测定方法针对所述显微风化特征，采用显微观测技术、摄像技术和图像处理技术对所述微裂隙带的宽度即岩石风化深度进行定量测量，解决了显微风化特征肉眼难以观测的技术难题；利用人类活动事件（如修路）或地质事件（如地震）将岩石破开（风化作用起始）的时间记录，确定所述风化作用的起始时间，解决了风化作用模拟时间难以延长到数十年以上的技术难题。所述测定方法容易掌握，测定结果准确。

一种岩石风化速度的测定方法，其特征在于，所述风化速度是风化作用在单位时间内形成的风化深度，是风化深度与风化作用时间之比，即：风化速度＝风化深度/风化作用时间；所述风化深度是指岩石破裂后在破裂面产生的微裂隙和/或微裂隙带在风化作用下向岩石内部延伸的垂直所述破裂面的直线距离，即以岩石破裂面上的任一点为岩石风化作用的起始点，以所述微裂隙和/或微裂隙带向岩石内部延伸的最前端，即风化作用前缘为风化作用的终止点，在所述破裂面的垂向切面上，自所述终止点至所述岩石破裂面的垂直距离为岩石总风化深度，岩石风化带内的任一点至所述岩石破裂面的垂直距离为该点的风化深度；所述风化作用时间是指风化作用的时间长度，是以岩石发生破裂的时间为岩石风化作用的起始时间，以检测样品的制作时间为岩石风化作用的终止时间，所述起始时间至所述终止时间的时间长度为岩石经历的总风化作用时间；所述测定方法包括以下步骤：选择具有已知岩石破裂时间的采样点，针对选定岩石采集具有已知岩石破裂时间的岩石样品，制备检测样品，通过显微技术、摄像技术和图象处理技术针对检测对象进行样品检测，定量测定所述选定岩石和/或所述选定矿物的所述总风化深度和风化深度差值，然后利用已知的所述总风化作用时间或阶段风化作用时间计算出岩石的平均风化速度，平均风化速度的计算公式为：

总风化作用时间＝检测样品的制作时间－岩石破裂时间；

平均风化速度＝总风化深度/总风化作用时间。

所述已知岩石破裂时间是已知的致使岩石破裂的人类活动事件或地质事件的发生时间，是通过当地调查或资料查询确定的，所述具有已知岩石破裂时间的采样点，是具有已知岩石破裂时间的岩石样品采集位置，所述具有已知岩石破裂时间的岩石样品，是在具有已知岩石破裂时间的采样点采集的，经过现场判别确定岩石破裂面形成于已知的所述人类活动事件或地质事件的岩石样品。

所述选定岩石是根据检测目的需要选定的，作为所述岩石样品采集对象的岩石，所述选定矿物是指所述检测样品中处于所述岩石破裂面边缘的作为检测对象的矿物，是所述微裂隙发育规律性强的矿物，所述检测对象是所述检测样品中所述选定岩石本身和/或所述选定矿物。

所述选定岩石优选为花岗岩类岩石，所述选定矿物为花岗岩类岩石中的长石。

所述破裂面为岩石样品包含的一个或多个岩石原始破裂面，所述岩石原始破裂面是已知人类活动事件或地质事件致使岩石破裂的时间和需要测量岩石破裂时间的所述岩石破裂面，所述岩石原始破裂面保存完好,未遭到后期的扰动和破坏。

所述检测样品是对所述岩石样品经过切割、磨制过程制作的，符合显微技术要求的用于测量显微风化深度的薄片、光片或光薄片，每个所述检测样品包含一个或多个所述岩石原始破裂面，所述检测样品是岩石原始破裂面的垂向切面，所述切面与所述岩石破裂面的交角为65-90°，在所述检测样品切割以前，在所述岩石样品的所述原始破裂面涂抹胶质层对所述原始破裂面加以保护。

一种测定阶段风化速度的方法，其特征在于采用上述任一所述岩石风化速度的测定方法，在岩石风化条件相同或相似的地区，选择两个或多个已知岩石破裂时间不同的采样点，分别针对同一种岩石采取所述具有已知岩石破裂时间的岩石样品，制作所述检测样品，每一个所述检测样品都针对同样的检测对象测定所述总风化深度，两个所述检测样品的所述总风化深度之差为所述风化深度差值，两个所述检测样品的风化作用起始时间差值即为所述阶段风化作用时间，利用所述检测样品的所述风化深度差值与风化作用时间差值，计算出所述检测样品风化深度差值范围内的所述阶段风化速度，

计算公式为：阶段风化速度＝风化深度差值/阶段风化作用时间。

本发明的技术效果

一种岩石风化速度的测定方法，根据最新发现的岩石破裂面显微风化特征所揭示的岩石风化作用的初始过程，将岩石破裂面定义为岩石风化作用的起始点,将岩石破裂面的形成时间定义为风化作用的起始时间，为风化速度的定量测定奠定了基础。所述显微风化特征是岩石发生破裂时，在破裂面产生的大量微裂隙以及由这些微裂隙构成的相对连续的微裂隙带。随着时间的推移，所述微裂隙的规模不断扩大，并不断向岩石内部延伸。对于内部结构紧密且空隙度较低的岩石（如花岗岩），所述微裂隙是岩石风化作用的通道和空间，在岩石风化作用初期，所述微裂隙带向岩石内部的延伸深度即为岩石的风化深度；所述微裂隙带向岩石内部的延伸速度即为岩石的风化速度。

本发明创造性的引入了岩石破裂面微裂隙带的概念，采用显微观测技术、摄像技术和图像处理技术，实现了显微风化深度和风化速度的定量测量。所述显微观测技术，是指利用光学系统或电子光学系统设备对所述检测样品的物质成份及其所述微裂隙和/或微裂隙带的观察测量技术，主要包括偏光显微镜、偏反光显微镜、生物显微镜、电子显微镜以及能够对微裂隙带进行微观观察的各种显微技术。显微观测内容除了常规岩矿鉴定工作的岩石与矿物定名、结构、构造观测以外，重点观测与所述微裂隙、微裂隙带有关的地质现象，如岩石的节理、矿物的解理以及微裂隙中的充填物成份等。

本发明利用人类活动事件（如修路）或地质事件（如地震）将岩石破开的时间记录，实现了所述破裂面形成时间即所述风化作用的起始时间的确定。例如：修筑山区公路时需要将基岩破开，通过调查公路开挖的时间，既可确定路边基岩的岩石破裂时间；再如：地震崩塌体上的岩块是地震发生时破开的，只要了解到地震的发生时间，就可确定岩石的破裂时间。人类活动事件与地质事件的时间记录可以查询到距今千余年以上，这一数据的取得与利用，结合岩石风化作用起始点和起始时间的定义，较好地解决了风化作用时间难以模拟的技术难题。

本发明介绍了岩石风化深度测定的技术流程和技术要求，便于使用者学习掌握技术要领。

本发明介绍了选定岩石、选定矿物和检测对象的概念，使得岩石风化速度的测定更具有针对性。所述检测对象，是指整个所述检测样品和/或所述检测样品中一种或多种矿物。

本发明规定了岩石样品的采样要求，以保证岩石样品的采集质量，满足风化速度测定的需要。所述岩石样品必须包含有一个或多个岩石的原始破裂面，所述岩石原始破裂面必须是在采样现场，经过观察判定为已知岩石破裂时间的破裂因素下形成的。为了保证测定结果的精确度，要求尽量采集原始破裂面保存完好的所述岩石样品，所述岩石原始破裂面保存完好程度的判别方法是：岩石的棱角边缘没有破损，破裂面平整，矿物颗粒结构紧密自然无脱落现象，无溶蚀痕迹，破裂面表面覆盖有厚度不等的土层保护。

本发明规定了检测样品的制备要求，以满足显微观测的需要。所述检测样品是所述原始破裂面的垂向切面，所述切面与所述原始破裂面的交角为65-90°，交角越小测量误差越大。在所述检测样品切割以前，应在所述岩石样品的原始破裂面涂抹胶质层加以保护，避免在切割过程中切割工具对所述原始破裂面造成损坏。

所述检测样品一般要求包含自岩石风化边缘至无风化裂隙发育的岩石内部的整个微裂隙带，如果微裂隙带发育的宽度较大，不能包括在同一检测样品之内，就需要自岩石风化边缘至无风化裂隙发育的岩石内部，制备连续或不连续的多个检测样品。

本发明针对显微风化深度制订了测定方法。所述显微风化深度是采用显微观测技术、摄像技术和图像处理技术，通过对所述微裂隙的测量、统计工作进行定量测定。所述测量、统计工作，是针对微裂隙和/或微裂隙带的形态、规模、分布范围的测量与统计工作，一般是自岩石破裂面向岩石内部按照一定的间距（如50μm）分带进行，也可以进行网格分区或者不分带不分区进行测量、统计，测量、统计结果用图表或文字的形式表述。

本发明提供了一种测定平均风化速度的方法，并给出了平均风化速度的计算公式，便于使用者掌握。

本发明提供了一种测定所述阶段风化速度的方法，并给出了阶段风化速度的计算公式，便于使用者掌握。

本发明一种岩石风化速度的测定方法，对于单个检测样品的测定结果虽然具有一定的局限性，但是随着测定结果的逐步积累与相互校正，所述风化速度的测定数据会逐步趋于精确，并可应用于岩石风化条件相同或相似地区，所述岩石风化条件：包括气候条件、地形条件以及植物与表土覆盖条件。

附图说明

图1岩石风化速度测定方法流程框图

图2微裂隙密度分布曲线图

附图标记如下：

1-纵坐标；2-横坐标；3-检测样品一的微裂隙密度曲线；4-检测样品二的微裂隙密度曲线；5-风化作用起始点的统计作图位置；6-风化作用终止点的统计作图位置；7-检测样品一的总风化深度；8-检测样品二的总风化深度；9、阶段风化深度。

具体实施方式

下面以汶川地震震区岩石风化速度的测定过程为例，针对检测样品一、二，结合附图对具体实施方式进行详细说明。

按照附图1的流程，首先选择两个具有已知岩石破裂时间的采样点：采样点1为四川渔子溪汶川地震崩塌体，根据政府发布的汶川地震发生时间，确定地震崩塌体上岩石的破裂时间为2008年5月12日；采样点2为四川绵远河公路边基岩。通过当地调查，确定绵远河修路将所述公路边基岩的破开时间为1969年。

采集岩石样品：检测样品一的岩石样品采于汶川地震崩塌体采样点自然崩落堆积的岩块，岩性为细粒花岗岩。通过现场观察确定，所述岩块的棱角清晰，所述原始破裂面表现为自然破裂形态、矿物颗粒结构紧密无自然脱落现象，表层覆盖有薄层尘土，据此判定所述岩块在崩落以后没有经过二次搬运和后期的扰动，所述原始破裂面的形成时间为2008年汶川地震发生时间，所述原始破裂面保存完好。检测样品二的岩石样品采于四川绵远河公路边基岩采样点修路时破开并保留在路边的表层基岩，岩性为花岗闪长岩。通过现场观察确定，所述表层基岩的所述原始破裂面颜色虽然变暗，但仍然保持着原始破裂的自然形态，矿物颗粒结构紧密无自然脱落现象，表层覆盖有薄层尘土，没有遭受后期扰动的痕迹，据此判定所述原始破裂面的形成时间为1969年修路时间，所述岩石破裂面保存完好。所述检测样品一、二均包含有两个以上所述原始破裂面。

制备检测样品：在岩石样品切割以前，分别对两个所述岩石样品的所述原始破裂面涂抹加拿大树胶进行保护，避免了在岩石样品切割过程中切割工具对所述原始破裂面造成损坏。两个所述检测样品都是岩石原始破裂面的垂向切面，所述切面与所述原始破裂面的夹角为82°－90°，符合所述风化深度和所述风化速度测定对检测样品的质量要求。所述检测样品一、二的所述风化深度均为肉眼不可见的显微风化深度，制备的所述检测样品均为可供显微观测的光薄片。

测定总风化深度：所述检测样品一、二的所述检测对象均为花岗岩类岩石中的斜长石。采用偏光显微镜对检测样品一、二进行观测，拍摄显微照片，采用图像处理技术对所述显微照片中所述微裂隙的规模、密度进行测量与统计，制作微裂隙密度分布曲线图（附图2）。附图2的纵坐标1为所述微裂隙的密度，数值单位为条/mm²；横坐标2为自所述原始破裂面至岩石内部的距离，数值单位为μm。所述检测样品一的微裂隙密度曲线3和检测样品二的微裂隙密度曲线4与横坐标2起始点的焦点分别为所述检测样品一、二风化作用起始点的统计作图位置5即所述原始破裂面的位置（由于统计工作是自所述岩石破裂面向岩石内部按照50μm的间距分带进行的，所以统计数值都是落在横坐标每个50μm之间的位置，例如：横坐标2起始点的统计数值不是在0点位置，而是在25μm的位置。）；所述微裂隙密度曲线3、4与纵坐标1起始点（即0点）的焦点则为风化作用的终止点的统计作图位置6，其在横坐标的位置为所述微裂隙向岩石内部延伸的前缘即所述微裂隙消失的位置。图中所述起始点5与所述终止点6之间在横坐标上的距离即为所述检测样品一、二的所述总风化深度7、8。从附图2中可以看到，所述检测样品一的微裂隙密度曲线3的所述总风化深度7为300μm；所述检测样品二的微裂隙密度曲线4的所述总风化深度8为500μm。

测定平均风化速度：如上所述，所述检测样品一的总风化深度7为300μm，所述总风化作用时间为2009年－2008年＝1年，所述平均风化速度为300μm/1年＝300μm/年；所述检测样品二的总风化深度8为500μm，所述总风化作用时间为2009年－1969年＝40年，其平均风化速度为500μm/40年＝12.5μm/年。

测定阶段风化速度：所述阶段风化速度是利用所述检测样品一、二进行测定的，是所述阶段风化深度9与所述阶段风化作用时间的比值。所述阶段风化深度9是所述检测样品一的总风化深度7与所述检测样品二的总风化深度8之间的总风化深度差值，即500μm－300μm＝200μm；所述阶段风化作用时间，是指所述检测样品一、二两件样品所述风化作用起始时间的差值，所述检测样品一的风化作用起始时间为2008年，所述检测样品二的风化作用起始时间为1969年，所述阶段风化作用时间为2008年－1969年＝39年；所述阶段风化速度＝200μm/39年＝5.13μm/年≈5μm/年。

所述检测样品一、二的所述岩石样品都是采于四川山区，两个采样点的位置相距83Km，气候条件相同，岩石风化条件也相同，两件所述检测样品的所述检测对象均为花岗岩类岩石中的斜长石，所述风化速度具有可比性。测定结果表明，岩石风化作用在不同风化作用时间内的所述风化速度是不同的，风化作用在第一年的风化速度较快，为300μm/年，风化作用在1－40年的阶段平均风化速度约为5μm/年。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种岩石风化速度的测定方法，其特征在于，所述风化速度是风化作用在单位时间内形成的风化深度，是风化深度与风化作用时间之比，即：风化速度＝风化深度/风化作用时间；所述风化深度是指岩石破裂后在破裂面产生的微裂隙和/或微裂隙带在风化作用下向岩石内部延伸的垂直所述破裂面的直线距离，即以岩石破裂面上的任一点为岩石风化作用的起始点，以所述微裂隙和/或微裂隙带向岩石内部延伸的最前端，即风化作用前缘为风化作用的终止点，在所述破裂面的垂向切面上，自所述终止点至所述岩石破裂面的垂直距离为岩石总风化深度，岩石风化带内的任一点至所述岩石破裂面的垂直距离为该点的风化深度；所述风化作用时间是指风化作用的时间长度，是以岩石发生破裂的时间为岩石风化作用的起始时间，以检测样品的制作时间为岩石风化作用的终止时间，所述起始时间至所述终止时间的时间长度为岩石经历的总风化作用时间；所述测定方法包括以下步骤：选择具有已知岩石破裂时间的采样点，针对选定岩石采集具有已知岩石破裂时间的岩石样品，制备检测样品，通过显微技术、摄像技术和图象处理技术针对检测对象进行样品检测，定量测定所述选定岩石和/或所述选定矿物的所述总风化深度和风化深度差值，然后利用已知的所述总风化作用时间或阶段风化作用时间计算出岩石的平均风化速度，平均风化速度的计算公式为：

总风化作用时间＝检测样品的制作时间－岩石破裂时间；

平均风化速度＝总风化深度/总风化作用时间。

2.根据权利要求1所述一种岩石风化速度的测定方法，其特征在于，所述已知岩石破裂时间是已知的致使岩石破裂的人类活动事件或地质事件的发生时间，是通过当地调查或资料查询确定的，所述具有已知岩石破裂时间的采样点，是具有已知岩石破裂时间的岩石样品采集位置，所述具有已知岩石破裂时间的岩石样品，是在具有已知岩石破裂时间的采样点采集的，经过现场判别确定岩石破裂面形成于已知的所述人类活动事件或地质事件的岩石样品。

3.根据权利要求1所述一种岩石风化深度的测定方法，其特征在于，所述选定岩石是根据检测目的需要选定的，作为所述岩石样品采集对象的岩石，所述选定矿物是指所述检测样品中处于所述岩石破裂面边缘的作为检测对象的矿物，是所述微裂隙发育规律性强的矿物，所述检测对象是所述检测样品中所述选定岩石本身和/或所述选定矿物。

4.根据权利要求1、3任一所述一种岩石风化深度的测定方法，其特征在于，所述选定岩石为花岗岩类岩石，所述选定矿物为花岗岩类岩石中的长石。

5.根据权利要求1所述风化速度的测定方法，其特征在于，所述破裂面为岩石样品包含的一个或多个岩石原始破裂面，所述岩石原始破裂面是已知人类活动事件或地质事件致使岩石破裂的时间和需要测量岩石破裂时间的所述岩石破裂面，所述岩石原始破裂面保存完好,未遭到后期的扰动和破坏。

6.根据权利要求5所述岩石风化速度的测定方法，其特征在于，所述检测样品是对所述岩石样品经过切割、磨制过程制作的，符合显微技术要求的用于测量显微风化深度的薄片、光片或光薄片，每个所述检测样品包含一个或多个所述岩石原始破裂面，所述检测样品是岩石原始破裂面的垂向切面，所述切面与所述岩石破裂面的交角为65-90°，在所述检测样品切割以前，在所述岩石样品的所述原始破裂面涂抹胶质层对所述原始破裂面加以保护。

7.一种测定阶段风化速度的方法，其特征在于采用权利要求1－6任一所述岩石风化速度的测定方法，在岩石风化条件相同或相似的地区，选择两个或多个已知岩石破裂时间不同的采样点，分别针对同一种岩石采取所述具有已知岩石破裂时间的岩石样品，制作所述检测样品，每一个所述检测样品都针对同样的检测对象测定所述总风化深度，两个所述检测样品的所述总风化深度之差为所述风化深度差值，两个所述检测样品的风化作用起始时间差值即为所述阶段风化作用时间，利用所述检测样品的所述风化深度差值与风化作用时间差值，计算出所述检测样品风化深度差值范围内的所述阶段风化速度，

计算公式为：阶段风化速度＝风化深度差值/阶段风化作用时间。

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