沉积岩及其工程特性(Sedimentary Rocks)

1. 引言

岩体物理力学参数值的确定是岩石工程最基本但也是最困难的工作之一，在工程咨询活动中，有时由于条件限制，不可能取样进行试验获取岩体的参数值，必须根据现场岩石的露头情况来估算 。适逢最近本科生的毕业论文和研究生的课程都涉及到岩体物理力学参数的选择，作为一个课程辅助材料，本专辑将简要介绍地球上三大类岩石---沉积岩，火成岩和变质岩的基本知识及其工程特性。知道这些基本知识能够增强我们的工程判断力。今天先从沉积岩的认识开始。

2. 沉积岩的形成过程

顾名思义，沉积岩是由沉积物(sediment)形成的。不象火成岩，沉积岩中没有岩浆(magma)侵入，其外形最显著的特征是分层。沉积岩是由一些通过水，风或冰作用下堆积起来的碎片状岩石碎屑,矿物材料或有机物经过岩化(lithfication)过程形成的，如下图所示。

岩化过程分两个步骤，首先是沉积物在重力作用下压实(compaction)，降低了颗粒与颗粒之间的空隙比，其次，颗粒与颗粒之间发生泥化(cementation)作用。如果用工程术语来描述这种过程，那么前者是增加了材料之间的摩檫力，后者是增加了材料之间的粘结力。不过，在泥化过程中，只有非常小的颗粒能够粘结在一起，而大的颗粒很难粘合在一起，因此这些砂和碎石需要水泥剂来帮助粘合，天然情况下，这样的粘合剂有方解石(calcite)和石英(quartz),或者氧化铁, 这些粘合剂来源于地下水的结晶，因此当我们观察沉积岩时会发现有显著的方解石和石英颗粒。 

沉积岩沉积的过程现在可以使用离散元PFC进行模拟。

一些沉积岩例子如下图所示。

英国南部地区的沉积岩

美国大峡谷(Grand Canyon)内的沉积岩

3. 沉积岩的子类

按照沉积岩的组成材料和沉积环境不同，可以划分为以下不同类型：

• 碎屑沉积岩

• 化学沉积岩
  

• 有机沉积岩
  

3.1 碎屑沉积岩

碎屑沉积岩(Detrital或称Clastic)的组成成分主要是碎石，砂和泥，这是最常见的一种沉积岩，由于形式变化多端，因此可以形成不同类型的岩石。碎屑沉积岩最典型的岩石是砂岩(Sandstone), 砂岩来源于砂的岩化以及砂颗粒之间的泥化。很容易想象，砂岩来自于两种不同的生成环境，一个是海滩(砂滩)，另一个是沙漠。下图所示的是典型的砂岩。

另一种典型的碎屑沉积岩是砾岩(conglomerate), 砾岩的起源是由圆形的碎石和砂泥化在一起，当河流和小溪的水快速流动使得岩石向下游移动并且岩石之间碰撞和摩擦，导致了圆形的岩石和卵石，然后通过泥化形成砾岩，如下图所示。在砾岩中，我们可以用肉眼分别出圆形的岩石颗粒和泥化物。

还有一种常见的碎屑沉积岩是页岩(shale)，如下图所示。页岩是由压缩的泥形成的，页岩的形成环境主要是海湾和湖泊区域。

说到页岩，不能不提的是加拿大Albert省的卡尔加里。卡尔加里曾是世界石油公司的聚集地，包括中国两家大的石油公司。位于卡尔加里以北780公里的Fort McMurray 是世界上最大的油砂 (Oil Sands)采矿基地。加拿大北部地区森林茂密, 湖泊众多，是生成页岩的最佳环境，页岩便是油砂赋存的主要围岩。

Fort McMurray的油砂采矿区

3.2 化学沉积岩

化学沉积岩是在浅部的干旱港湾形成的，海水蒸发形成晶体，矿物质逐渐沉积到盆地底部，最终形成岩石。最典型的例子是盐和石膏。下图所示的是美国旧金山湾区南部的采盐场。此外干旱地区如犹他州也是盛产化学沉积岩的主要地方，因此盐湖城(Salt Lake City）不是浪得虚名而来的。 这种化学沉积岩的显著工程特性是蠕变性能(creep)，也就是材料在应力不变的情况下，变形随着时间的推移而逐渐增大。此外还有一种化学沉积岩是生化(biochemical)沉积岩, 生化沉积岩是在岩石形成过程中一些海中的动物残骸沉积到岩石中，在这种岩石中可以分辨出一些海底动物的残骸。

石灰石(limestone)是由贝壳生物(shelled organisms)形成的化学沉积岩，生物体的水结晶化体内的矿物成分，形成硬的贝壳，当贝壳生物死掉后，埋葬在淤泥中，从而形成称作石灰岩。石灰岩的主要化学成分是方解石。在石灰岩中可以明显看到贝壳，如下图所示。

一个有趣的现象是大多数情况下沉积岩的岩层是近似水平的，但也有例外。例如奥林匹克半岛处的岩石，表明当它形成的时候应该是海洋环境。奥林匹克半岛位于华盛顿州的奥林匹克国家公园内，西雅图的西面。

3.3 有机沉积岩

有机沉积岩是由植物中的有机残骸逐渐沉积下来形成的，压力，热，时间，淤泥，水及没有太多氧气的环境条件是有机沉积岩形成的主要因素。最典型的此类岩石是我们的基础能源---煤。

下图所示的是中国五大露天煤矿之一的准格尔煤田黑岱沟露天采场，位于内蒙古自治区准格尔旗。

4. 沉积岩的工程性能

总的来说地球上的沉积岩，其中页岩(Shale)占45%，砂岩(Sandstone)占32%，石灰岩(Limestone)占22%，其它类型的沉积岩占1%。我们在工程中主要遇到的沉积岩有：页岩，砂岩，石灰岩和泥岩。辨别沉积岩的种类能告诉我们一个地区的地质历史，而了解这些地质历史对岩土工程勘察来说至关重要，它能帮助我们估计岩层的赋存厚度和深度，更重要的是帮助我们估算岩体的强度参数和变形参数。例如对于砂岩和石灰岩来说，其单轴抗压强度在50-250MPa之间，平均在75-175MPa之间，煤的单轴抗压强度在25-50MPa，平均在35MPa。我们正在发展和维护一个岩石物理力学参数数据库来帮助了解岩石的工程性能。