Figura 6-3 Diagrama esquemático de la estructura en capas de la corteza carbonatada
1 Capa de suelo y capa superficial del suelo
La capa de suelo se refiere a la formación de pedogénesis. La capa superior del suelo tiene generalmente entre 0,5 y 1 m de espesor; la capa superior del suelo se refiere a la capa superficial (incluida la capa del suelo) afectada por las raíces de varias plantas, y su espesor es relativamente profundo. Según encuestas y estudios de zonas kársticas escasamente pobladas, antes de que los humanos se multiplicaran en grandes cantidades y la población aumentara dramáticamente, las vastas áreas kársticas (especialmente las tropicales y subtropicales) alguna vez tuvieron muchos bosques y una exuberante vegetación. Según las estadísticas actuales, el tamaño de sus camadas es considerable (Tabla 6-2). La hojarasca de estas plantas tiene un efecto de enriquecimiento considerable sobre determinados elementos que forman el suelo (como el silicio, el aluminio, el hierro, etc.). ) (Tabla 6-3), y las raíces de las plantas también pueden causar daños mecánicos, como grietas en las raíces de las formaciones rocosas. La descomposición de residuos vegetales y humus también puede producir una gran cantidad de ácidos orgánicos y CO2 (Ren Meihua et al., 1983). En la atmósfera, normalmente contiene sólo 0,03 CO2, mientras que en la cubierta vegetal hay casi 1 CO2. De esta forma, el agua permeada contiene una gran cantidad de ácidos orgánicos y ácido carbónico, lo que favorece la disolución. Las investigaciones muestran que debido a la reproducción de una gran cantidad de microorganismos y los efectos bioquímicos de la cobertura vegetal, se puede producir una gran cantidad de CO2 en la capa superior del suelo y en las capas del suelo, que es la principal fuente de ácido carbónico en el contenido de agua subterránea. El CO2 en la capa del suelo puede ser diez veces o incluso cien veces mayor que en el aire. Además, la superficie del suelo también puede retener e interceptar agua y también desempeña un papel importante en la formación y protección de la corteza erosionada.
Tabla 6-2 Cantidad de basura forestal en áreas naturales de China
Tabla 6-3 Composición química de las cenizas vegetales sobre arcilla roja en la Reserva Natural del Bosque Karst de Maolan (wB/)
Los estudios de campo muestran que la corteza erosionada roja de roca carbonatada se forma principalmente en terrenos planos como cañones kársticos, depresiones y pendientes suaves. Esto se debe a que esta condición topográfica favorece la convergencia e infiltración de la escorrentía superficial. El agua transporta Si, Al, Fe y otros elementos y sustancias gelificadas acumuladas en la hojarasca, así como sustancias coloidales como polvo y arcilla fina esparcidas en la superficie, que penetran en la interfaz roca-suelo. muy beneficioso para la formación del suelo. Al mismo tiempo, esta condición del terreno es también una zona de enriquecimiento de aguas subterráneas con buenas condiciones de circulación y alternancia de aguas subterráneas, lo que promueve la disolución, el metasomatismo y la pedogénesis de los macizos rocosos carbonatados.
2. Capa de arcilla roja
Es la capa de arcilla superior junto a la capa de suelo y la capa superficial del suelo, y su espesor varía con el espesor total de la capa de suelo erosionado. Generalmente 3 ~ 5 m. Esta capa lleva el nombre del color marrón rojizo, marrón amarillento o rojo del suelo. Hay grandes fisuras en el suelo, y hay una capa de cobertura roja de hierro y manganeso en la superficie de las fisuras, a menudo con bandas de hierro de color rojo ladrillo distribuidas casi horizontalmente. El suelo tiene bajo contenido de agua y se encuentra en un estado plástico duro-plástico. Obviamente, la capa de arcilla roja se encuentra en una zona de fuerte oxidación, lo que hace que los minerales de hierro aparezcan en forma de hierro de valencia Fe3, haciendo que la capa del suelo parezca obviamente roja.
3. Capa de arcilla amarilla
Amarillo terroso, amarillo jengibre, de 3 a 6 m de espesor, que a veces contiene manchas de color marrón rojizo, con escombros y estructuras parecidas a gusanos, y micro-capas extremadamente desarrolladas. grietas. A veces, el suelo también contiene más manchas, concreciones y capas intermedias de hierro-manganeso negro, que son características de la zona de transición geotécnica.
El contenido de humedad natural del suelo en esta zona es relativamente grande, generalmente de 70 a 80. El suelo está en un estado plástico o plástico blando, y esta zona se encuentra en una zona de oxidación débil.
4. Capa de arcilla abigarrada
Las rayas se componen de capas de arcilla de color púrpura, marrón oscuro, rojo, blanco puro, marrón y otras, con una estructura en forma de banda y halo. . El espesor de esta capa es de 0,2 a 0,3 m y las franjas ondulan con el lecho de roca subyacente. El contenido de humedad natural del suelo es el mayor, generalmente hasta 90 ~ 100, y se encuentra en un estado plástico blando. El espesor de esta capa varía mucho. Es más gruesa en el fondo de las trincheras y depresiones kársticas cóncavas y se vuelve más delgada en las superficies rocosas convexas. La capa de arcilla abigarrada se desvanece rápidamente cuando se expone al aire, lo que indica que esta zona está en la zona de reducción. La capa de arcilla abigarrada es la zona de transición de la roca carbonatada a la capa de suelo.
Con la formación de nuevas capas de suelo en la interfaz roca-suelo, el suelo superficial se desnuda y transporta, y el suelo inferior se transforma en suelo superior. Durante el proceso de transformación, la capa del suelo sufrirá una serie de cambios. Además del ambiente redox, el contenido de agua y el estado de la capa del suelo mencionados anteriormente, el valor del pH de la capa del suelo también cambiará de alcalino en la parte inferior a ácido en la parte superior, y las propiedades físicas, químicas y minerales. La composición del suelo también cambiará. Entre ellos, el cambio más obvio es el cambio en la composición de las partículas del suelo. Por ejemplo, en los perfiles de la corteza roja erosionada de Anshun y Zunyi, el contenido de grupos limosos cayó de 51,3 a 66,8 en el suelo inferior a 29,6 a 32,7 en el suelo superior, y el contenido de grupos arcillosos aumentó de 25,0 a 35,0 en el suelo inferior. a 59,0 en el suelo superior. En otras palabras, el tamaño de las partículas del suelo cambia de partículas gruesas de polvo a partículas finas de arcilla. En consecuencia, también cambió la composición mineral de la capa del suelo. Los minerales arcillosos como halloysita, diáspora, montmorillonita, clorita, vermiculita, vermiculita/clorita y minerales arcillosos intercapa presentes en la capa de arcilla abigarrada en la interfaz se convertirán en minerales arcillosos a base de caolinita. Al mismo tiempo, el contenido de minerales de ópalo, ópalo y aluminio en la capa del suelo también aumentó correspondientemente, y algunos minerales arcillosos fueron reemplazados por óxidos e hidróxidos de hierro y manganeso. Las pruebas de lixiviación artificial en la capa de arcilla de la corteza de carbonatos erosionados muestran que el Si en la capa superior de arcilla roja y en la capa de arcilla amarilla puede ser parcialmente lixiviado por el agua y transportado a la interfaz roca-suelo, convirtiéndose así en la fuente de algunos elementos formadores del suelo.
5. Capa de lixiviación
Las capas de lixiviación de la caliza y la dolomita son completamente diferentes. La primera es una capa desgastada, suelta, porosa, de color blanquecino y descolorida, generalmente de unos pocos centímetros a más de diez centímetros de espesor, que de repente se convierte en una capa de suelo hacia arriba y gradualmente se convierte en una capa de piedra caliza hacia abajo. Esta última es arena de dolomita blanca suelta que ha perdido por completo su resistencia y sus conexiones estructurales. Su espesor es generalmente superior a 0,5 m, y el más grueso puede alcanzar desde varios metros hasta más de diez metros. Gradualmente cambia a una capa de dolomita hacia abajo y abruptamente a una capa de arcilla hacia arriba. Generalmente, la capa de lixiviación no se produce de forma horizontal, sino que ondula alrededor del lecho de roca, por lo que el espesor varía mucho.
6. Base rocosa (dolomita o piedra caliza, etc.)
Investigar y estudiar el relieve de la superficie rocosa del lecho rocoso también puede proporcionar mucha información importante sobre la formación de la corteza roja erosionada. perfiles. La Figura 6-4 es un diagrama esquemático de la sección de excavación manual durante la construcción de la planta de agua de Xijiao en la ciudad de Guiyang. En la figura se puede ver que la superficie de la roca tiene grandes fluctuaciones, alcanzando más de 16 m, lo que es el resultado de la disolución diferencial de las fisuras a lo largo del plano vertical. La combinación de disolución vertical y disolución lateral también puede formar núcleos de roca y bloques de roca envueltos en suelo. Una mayor disolución los convertirá en arena de dolomita y grupos, parches y manchas de diferentes colores. En los perfiles de los pozos de exploración de ingeniería en el área de Guiyang, a menudo se encuentran rocas en voladizo con capas de suelo arriba y abajo debido a la disolución diferencial.
Figura 6-4 Corte transversal esquemático de la corteza roja erosionada de roca carbonatada en la planta de agua de Xijiao, ciudad de Guiyang
Lo mismo ocurre con la curva de disolución de la piedra caliza. La fábrica de ladrillos Zhongzhuang Pai de la ciudad de Zunyi alguna vez extrajo corteza roja erosionada de más de 10 metros de espesor como materia prima para cocer ladrillos. Después de excavar toda la corteza erosionada del suelo sobre la piedra caliza, debido a la disolución de los estratos inclinados, la superficie de la roca extremadamente irregular quedó expuesta, con una diferencia de altura de más de 10 metros. Todos estos surcos ondulados de disolución y yemas de piedra que sobresalen son el resultado de la disolución debajo de la capa de suelo erosionada. En el fondo del tanque de solución, a menudo hay retención de infiltración de agua subterránea, y el suelo a menudo aparece en un estado plástico blando o incluso plástico fluido, que es el pico de la reacción agua-roca. Esta topografía de la superficie del lecho rocoso extremadamente desigual también proporciona evidencia irrefutable de la existencia de una corteza carbonatada erosionada. Lo anterior también es similar a la antigua sección de la corteza erosionada de los Urales del Sur en Rusia y a la topografía paleokarst del lecho rocoso de Xiuwen Xiaoshanba en Guizhou que se muestra en la Figura 6-1.
La corteza roja erosionada de roca carbonatada es un sistema estructural disipativo con función autoorganizadora formado en condiciones de sistema abierto en la superficie de la corteza terrestre durante la historia geológica. Sus funciones y efectos se expresan como organizar y coordinar la relación entre el sistema y varias fuerzas de meteorización, proporcionando las condiciones necesarias para que la meteorización forme suelo, de modo que el sistema pueda desempeñar su máximo papel. La disolución es la más importante, ya que proporciona el espacio necesario para las interacciones y reacciones agua-roca, roca-suelo. El resultado más directo de la disolución es aumentar la porosidad del macizo rocoso de la corteza erosionada, aumentando así la permeabilidad del macizo rocoso. Las características esenciales de la disolución microscópica de rocas carbonatadas son la disolución selectiva controlada por reacciones superficiales en la interfaz agua-roca, la selección de componentes materiales y la selección de la microestructura y microestructura mineral de la roca (Han Baoping, 1993). La disolución de la piedra caliza comienza con la disolución de la matriz del lecho o cemento sprite, lo que da como resultado la formación de capas de lixiviación granulares. Una mayor lixiviación de la arena de dolomita es la disolución de los cristales rómbicos y los planos de escisión de la dolomita, cuyo resultado es la formación de poros de celosía de ventana. En condiciones naturales, el estado de filtración microscópica tiene una gran influencia en las características de disolución. Se pueden formar poros de filtración alargados delante de las gargantas de los poros y las barreras, y los poros de disolución quística a menudo se forman en la parte superior de las microfisuras (Han Baoping, 1994). Han Baoping (1994) proporcionó datos sobre la medición directa de la porosidad de la corteza carbonatada mediante la prueba de intrusión de mercurio (Tabla 6-4). Se puede ver en la Tabla 6-4 que la porosidad de las rocas frescas es muy baja. La porosidad efectiva de las muestras Y1 y Ba1 es solo 0,82 ~ 0,96, mientras que la porosidad efectiva de las muestras Y5 y Ba5 ha alcanzado 25,58 ~ 25,58 ~ en el. capa lixiviante formadora de suelo 28.90. Se puede considerar que es la capa de lixiviados y su alta porosidad la que proporciona un espacio efectivo para la reacción del agua, la roca y la roca y el suelo, y proporciona un lugar para el reemplazo del agua y la roca. Sin una capa de lixiviación no habría formación de suelo. Según la medición del autor, la porosidad de la capa de arcilla abigarrada adyacente a la capa de lixiviación alcanzó 55,90 (capa de arcilla caliza de Zunyi) y 62,50 (capa de arcilla de arena de dolomita Anshun), respectivamente. La diferencia de porosidad entre la capa lixiviada y la capa de arcilla abigarrada es bien conocida: por un lado, a medida que avanza la formación del suelo, la porosidad aumentará aún más; por otro lado, la porosidad de Y5 y Ba5 es la más efectiva que la del mercurio; La solución puede lograr porosidad. La porosidad de la arcilla abigarrada medida por el autor es un índice indirecto obtenido mediante la conversión teórica de los indicadores básicos (contenido de agua y densidad del suelo) medidos directamente por el autor, incluidos todos los poros, incluidos los poros cerrados. De la discusión anterior, se puede ver que las características de alta porosidad y alta proporción de vacíos del suelo con corteza roja de meteorización carbonatada (también llamada arcilla roja en ingeniería) están estrechamente relacionadas con la formación de corteza roja de meteorización, lo que resuelve el problema de la alta porosidad. de la arcilla roja desde su origen. El misterio de las propiedades físicas.
Tabla 6-4 Resultados de la prueba de inyección de mercurio para determinar la porosidad de la corteza de meteorización de piedra caliza y mármol
La permeabilidad de la roca carbonatada es una condición necesaria para que el agua entre al masa rocosa. De hecho, la formación de poros en el macizo rocoso erosionado es un reflejo directo de la penetración y disolución. La permeabilidad se puede dividir en permeabilidad primaria generada por poros primarios y permeabilidad secundaria generada por poros disueltos, espacios disueltos y cuevas expandidas por disolución. La mayoría de los parámetros medidos en las pruebas hidrogeológicas de los acuíferos kársticos pertenecen a la filtración secundaria. El agua que fluye en los poros secundarios, la disolución y las cuevas obviamente no puede explicar la pedogénesis debido a su rápido flujo y fuerte erosión. Por lo tanto, la permeabilidad primaria del macizo rocoso está principalmente relacionada con la pedogénesis, y no hay muchos datos en esta área. Según el diagrama de relaciones de D.I. Smith sobre el tamaño de los poros, la porosidad y el coeficiente de permeabilidad K de las rocas carbonatadas, la porosidad del mármol metamórfico y la piedra caliza masiva es de aproximadamente 0,1 ~ 1,0, el diámetro de los poros es de 0,001 ~ 0,01 mm y el coeficiente de permeabilidad K es 0,00065438. . Otros datos de investigación muestran que el coeficiente de permeabilidad de la piedra caliza masiva es de 7×10-7 ~ 1,0×10-4m/d (Zhang Zhuoyuan, 1994), y el coeficiente de permeabilidad de los poros de la arcilla roja es de aproximadamente n×10-5m/d. Las observaciones de campo muestran que la corteza erosionada roja penetra principalmente a lo largo de las grietas. Se puede considerar que la permeabilidad al agua de la capa superior del suelo de la corteza erosionada es mucho mayor que la de la corteza erosionada, y existe una diferencia de un orden de magnitud entre ellas. los dos. Esta es también la razón por la cual una gran cantidad de agua de infiltración permanece en la interfaz roca-suelo. La razón es que el contenido de humedad del suelo aumenta gradualmente de arriba a abajo. Según los cálculos del autor, el agua de infiltración en la capa de suelo y los diversos materiales formadores del suelo contenidos en ella son suficientes para garantizar la disolución del lecho rocoso y la sustitución del suelo.