摘要
本文从铁对红层砂岩风化行为的指示作用出发，利用改进的邻菲啰啉分光光度法研究红层砂岩中微量 Fe2+、Fe3+的风化敏感性特征，根据化学风化指数Fe2+/Fe3+厘定赤水丹霞地貌区红层砂岩的风化影响深度与划分风化程度。在此基础上，从矿物成分、化学氧化物含量、物理性质、微观孔隙结构等角度探究红层砂岩风化特征，并对不同风化程度红层砂岩的力学性质展开研究。主要研究成果如下： （1）改进了可准确测定微量 Fe2+、全铁含量的邻菲啰啉分光光度法，并利用差减法求出Fe3+含量。该分析方法的浓度检出限约为0.08mg/L，Fe2+和全铁的RSD（n=8）均小于3%，样品Fe2+分析方法加标回收率为89.04%～100.8%，全铁分析方法的加标回收率为 85.97%～113.6%。测得红层砂岩 Fe2+含量在0.12%~0.23%之间，全铁含量在 0.94%～2.41%之间，Fe3+含量在 0.78%～2.20%之间。赤水红层砂岩中 Fe 元素主要以 Fe 3+的形式的存在。Fe 2+含量变化曲线呈现“V字型”，表现为先减小后增大，最终趋近于稳定。Fe 3+（全铁）含量变化曲线呈现较为明显的下降趋势，并最终趋近于定值，但在不同的埋深，下降幅度有所差异。根据化学风化指数Fe2+/Fe3+值随深度变化关系，将赤水红砂岩浅层风化带划分为强风化带（0~30cm）、中风化带（30~70cm）、微风化带（＞70cm），并将红层砂岩Fe2+/Fe3+比值0~0.12判定为强风化，0.12~0.16判定为中风化，＞0.16判定为微风化。 （2）研究了红层砂岩风化特征。随深度的增加，红层砂岩中石英、钾长石、粘土、赤铁矿等主要矿物含量在逐渐减小，斜长石、方解石等主要矿物含量在逐渐增大。随风化程度的增加，元素富集强度依次为Fe＞Ti＞Al＞Si，流失强度依次为Ca＞Na，Ca元素迁移率达到95%以上；红砂岩的密度（干/饱和）、波速（干/饱和）、电阻率、里氏硬度值（干/饱和）都在不断增大并最终趋近于稳定；孔隙率初始不断减小最终趋近于平缓；红砂岩色度值L、a、b以及色差值△E值整体呈先减小，再趋近于平缓的趋势，其中色度L值、a值在表面一定深度（0~30cm）能指示红层砂岩颜色随深度的变化，表征风化程度的减弱。 （3）利用扫描电镜与核磁共振分析风化对红砂岩微观孔隙结构的影响。风化后岩石微观结构破碎、孔隙发育，石英颗粒蚀变明显，颗粒间胶结物质溶蚀流失严重。红砂岩的T2谱曲线主要有2个峰，随风化作用的增强，T2谱图曲线整体向右移动，峰面积逐渐增大。将红砂岩孔径划分为小孔（孔径＜0.1μm）、中孔（孔径0.1~1μm）、大孔（孔径＞1μm）三类，随风化程度的增加，红砂岩小孔的占比显著减小，由微风化的40.12%下降至强风化的25.63%，大孔的占比显著增大，由微风化的22.02%上升至强风化的39.84%。红砂岩的孔喉分布整体趋势呈波状，随风化程度的减弱，起伏程度逐渐变平缓，0~0.1μm的孔喉占比最大，其次是1~1.6μm的孔喉。 （4）采用单轴压缩、三轴压缩、巴西劈裂试验研究不同风化程度红层砂岩力学性质。随风化程度的增加，红砂岩试样的抗压强度、弹性模量逐渐减小，中风化与微风化之间差异性显著；不同风化程度的红砂岩试样单轴压缩条件下破坏形态均表现为“X”型共轭剪切破坏；红砂岩试样的破坏形式逐渐转为单向剪切破坏。红砂岩的C、φ值呈减小的趋势，粘聚力（C）相较于内摩擦角（φ）对风化更为敏感。不同风化程度的红砂岩试样三轴压缩条件下的破坏形态主要表现为含一组贯通性结构面的单向剪切破坏，其中部分试样为“X”型共轭剪切破坏。红砂岩单轴抗拉强度逐渐减小，在中风化与微风化之间衰减幅度显著。
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