黄土的显微结构

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第656页（3411字）

指必须借助于显微镜才能辨认的黄土结构，例如，构成土体的碎屑颗粒形状、大小和特征，碎屑颗粒在空间的排列形式、孔隙状况以及粒间接触和连接特征等。

它的首要任务是观察分析组成黄土的骨架颗粒、粘土物质和空隙的结构特征以及它们的组构形式所反映的物质在成土过程中的运动变化规律。这不仅对恢复和重建黄土发生过程以及当时的生物气候环境具有重要的理论意义，并对评价黄土工程地质性质及水文地质性质有着重要的实际意义。

早在1925年，太沙基(K，Terzaghi)就指出：在评价土体的工程性质时，必须注意考虑其微观结构。

但第1位真正使用透镜对土的微观结构进行系统研究的是库比纳(W．L．Kubiena)，他在1938年出版的《微土壤学》中使用了微结构(microfabric)一词。

这样，土壤微形态作为土壤学的独立分支学科便获得承认，它亦应用于松散沉积物的研究。

黄土的显微结构研究是从20世纪50年代末开始的。自从艾尔特姆勒(H．J．Altermuller)用浸胶法成功地解决了松散土体的薄片制作以来，越来越多的地学工作者开始对黄土的显微结构研究感兴趣。1959年拉里昂诺夫(А．К．Лapиoнoв)首先把前苏联黄土的显微结构分为3类：粒状结构、团粒结构和粒状－团粒结构，他发现具有粒状结构的黄土是湿陷的，团粒结构是不湿陷的。同年，张宗祜等对中国黄土高原西部黄土类土的显微结构作了初步研究，并注意到黄土显微结构特征与工程地质性质的密切关系。

60年代到70年代初期，是黄土显微结构研究深入发展阶段，这一时期，不仅对黄土的粒度组成特征从满足工程建设的需要和探讨黄土成因的角度出发进行了大量系统研究，更重要的是在显微镜下开始深入研究黄土的显微结构。

1963年朱海之在研究了中国晚更新世黄土后，把黄土显微结构分为3类：接触式、基底式基底和接触－基底式，其含义和拉里昂诺夫的划分基本相类似，但他并未明确提出这种结构类型和湿陷性的关系。1964年张宗祜对中国黄土高原及其邻区的晚更新世黄土类土的显微结构进行了深入系统研究，他根据颗粒接触关系、孔隙及胶结特征将中国黄土类土的显微结构进行7级分类。

嗣后，朱海之等(1964)及刘东生等(1966)在偏光镜下从不同的侧面观察分析了黄土显微结构特征。在欧美，1966年奈脱(K．Knight)在研究了湿陷性黄土的微结构后认为开放亚稳结构是湿陷的基本条件。1970年特脱莱(J．H．Dudley)对奈脱的观点进行了补充，认为这种开放亚稳结构有3种胶结形式，即粉砂胶结、絮状支托式胶结和葱皮胶结。1973年巴顿(L．Barden)利用扫描电子显微镜(SEM)观察湿陷性黄土，证实上述葱皮胶结是存在的，絮状支托式胶结还不能完全肯定，而粉砂胶结没有发现。

70年代末到80年代初，扫描电镜、透射电镜等先进手段相继广泛用来分析研究黄土的微形态，弥补了一般显微镜下进行黄土显微结构观察的不足，使黄土结构研究进入了超微观阶段，并从微结构角度探讨黄土的成因、黄土的工程地质性质及其形成环境等诸方面的问题。1978年刘东生等首先在扫描电镜下观察了黄土中石英颗粒的形态和表面结构，发现黄土中的石英颗粒大多数为次棱角状及棱角状，边缘不规则，并见有次圆状颗粒，有的具显着的贝壳状断口，这些特征非常类似于阿拉善沙漠中现代风砂中的石英颗粒形态。

1982年王永焱等在扫描电镜下把黄土中的石英颗粒表面结构与现代沙漠中的石英颗粒表面结构作了对比观察，发现黄土中的石英颗粒表面结构如解理面、凹坑、槽沟、贝壳状断口等和沙漠中的基本相似。上述研究结果表明，黄土和沙漠中的石英颗粒的生成环境及搬运过程是基本一致的。

另外，卢演俦等(1976)用透射电镜观察了黄土与古土壤中石英颗粒表面结构特征。

黄土中石英颗粒表面仍保持着比较新鲜的贝壳状破裂结构，而古土壤中的石英颗粒表面的氧化硅沉淀和溶蚀等化学结构明显，反映了石英颗粒经受成壤作用后，表面结构受到一定的改造。

1979年萨盖里科(J．Sajgalik)结合工程地质从成因角度出发利用扫描电镜对捷克不同时期的黄土的微结构进行了研究。

1980年高国瑞注意到黄土超微结构与湿陷性的关系。

他从黄土这一空间结构体系的力学分析出发，将骨架颗粒形态划分为粒状、粒状－凝块和凝块3类；将颗粒连接形式分为接触、接触－胶结和胶结3类；颗粒排列方式分为架空、架空－镶嵌和镶嵌3类。上述3类分别具有从易湿陷到湿陷性较小的顺序，并根据物理力学性质和扫描电镜微形态观察结果，提出了黄土微结构与湿陷性关系的12级分类。1985年刘东生等将黄土微形态“成因”分类与物理力学性质研究结合起来，试图从这个角度探索黄土湿陷性的形成机理。此外，张宗祜等(1985年)研究了黄土的湿陷变形及其结构变化特征，结果表明，自重湿陷型黄土由于大于0．01mm的集粒均被破坏，致使土体整个结构破坏，产生强烈湿陷；加压湿陷型黄土在水和压力作用下，大于0．05mm的集粒遭到破坏而导致黄土发生湿陷现象；非湿陷型黄土在浸水加压时只有大于0．1mm的集粒发生破坏，变形很小。

从而揭示了黄土湿陷发生的内在本质规律。

到了80年代中期，有人对黄土微结构开始尝试做定量研究工作，使该学科开始了突破性的发展。

1985年雷祥义采用染色铸体薄片、扫描电镜和压汞法等手段对中国黄土高原黄土的孔隙结构进行了深入研究，对黄土孔隙按成因和大小进行了双向分类。他首先用压汞法定量揭示了黄土中不同大小孔隙的分布规律。1987年他又深入研究了黄土孔隙结构与湿陷性的关系，发现中孔隙(孔隙半径为0．016～0．004mm)是引起黄土产生湿陷变形的主导因素，从工程地质方面阐述了黄土湿陷的内在因素。1989年雷祥义对中国黄土高原黄土的显微结构进行了系统研究，他综合大量研究资料，根据颗粒接触关系、空隙和胶结程度，将黄土显微胶结构划分为3个结构组合6种结构类型，即微胶结结构组合(包括支架大孔微结结构和镶嵌微孔微胶结结构)、半胶结结构组合(包括支架大孔半胶结结构和镶嵌微孔半胶结结构)和胶结结构组合(包括絮凝胶结结构和凝块胶结结构)。

他发现黄土的稳定性由1类的支架大孔微胶结结构到VI类的凝块胶结结构依次增大，其湿陷性与此序列成负相关关系，而湿陷起始压力与此序列成正相关关系，规律性十分明显，不仅在空间上得到了证明，而且在时间上也得到了证明。他根据大量统计资料，确定了黄土显微结构类型与其物理力学性质指标之间的定量关系。

1991年雷祥义根据微结构研究结果揭示了晚更新世时期中国黄土高原自然环境的空间格局。上述成果将黄土显微结构特征与工程性质及古气候关系的研究向前推进了一大步。

黄土显微结构的研究正在向纵深发展，其趋势是：(1)为保证黄土结构的原状性，必须改进制样方法；(2)利用现代仪器设备对结构作定量分析；(3)从微结构角度进一步探讨黄土湿陷变形机制；(4)探讨如何利用结构作出黄土工程性质的定量评价，以取代繁重的物理力学性质的试验过程。

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【参考文献】：

1 高国瑞．中国科学(B辑)，1980，12∶1203～1208

2 雷祥义．中国科学(B辑)，1987，12∶1309～1318

3 雷祥义．地质学报，1989，63(2)∶182～191

4 雷祥义．地质论评，1989，35(4)∶333－341

5 王永焱，林在贯，等．中国黄土的结构特征及物理力学性质．北京：科学出版社，1990，105～172；223～244

6 吴义祥，等．地质论评，1992，38(3)∶250～259

(西北大学雷祥义教授撰)