（地质工程专业论文）云南红层分布及其边坡工程病害分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着经济不断发展，近年来高等级道路建设越来越多地向红层分布地区深入，给 勘察、设计和施工带来了很多新的问题。本文以云南红层为研究背景，对云南红层的 分布范围、形成时代背景、岩组特征进行分析，并结合云南省红层区公路，对红层的 物质成分、工程特性进行分析，而后研究其边坡工程病害的特征。 根据云南红层地理分布范围将其划分为滇西和滇中两大区域，对其形成背景进行 分析。岩组是红层组成的基本单元，本文通过对其形成的年代、分布区域、岩性特征 以及发育厚度和面积的详细分析，以及对滇西和滇中红层分布特点的对比，得出云南 红层分布的基本特征。 红层作为一种软岩而具有独特的工程性质，为了研究云南红层的工程特性，本文 结合滇西和滇中的几条公路，对红层矿物、化学成分和物理力学性质进行分析探讨及 对比。红层具有亲水性强、透水性弱、易崩解，抗风化能力弱，抗压抗剪强度低等特 性，本文分析了红层的膨胀性和崩解性，并对红层软弱泥化夹层的工程性质及其影响 因素进行了分析。 红层的工程性质决定了其在地形地貌、岩性组合、水文条件和工程活动的影响下， 易于发生地质灾害。在统计收集滇西、滇中公路边坡工程病害的基础上，对云南红层 边坡的结构类型进行分析，初步判断坡体地质几何条件与稳定性的关系。最后对云南 红层边坡工程病害特征进行分析，包括云南红层边坡结构类型、边坡开挖工程病害及 岩组与病害的关系。 关键词：云南红层；分布特征；岩组；工程性质；边坡工程病害 a b s t r a c t w i t ht h ef a s te c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h em o r er o a dc o n s t r u c t i o ni nr e ds t r a t 啪 a r e a ，m a n yp r o b l e m so c c u rt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，d e s i g na n do p e r a t i o n t h ep a p e rb a s i n go n t h er e ds t r a t u mi ny u n n a np r o v i n c e ，a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft h ed i s t r i b u t i o nr a n g e t h e f o r m a t i o na g ea n dt h ep e t r o f a b r i ca n ds t u d i e st h em a t e r i a la n dt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f t h er e ds t r a t u mc o m b e dw i t ht h eh i g h w a y , a n dt h e na n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft h es l o p e e n g i n e e r i n gd i s a s t e r s y u n n a n p r o v i n c ec a nb ed i v i d e di n t ot h ew e s ta n dt h em i d d l eo ft h ed i a na c c o r dt ot h e d i s t r i b u t i o no ft h eg e o g r a p h i c a ld i s t r i b u t i o n t h ew o r kw h yy u n n a nd i v i d e di n t ot h e 咖 p a r t sw i l lb ed o n e t h ec h a r a c t e r so ft h ed i s t r i b u t i o no fr e ds t r a t u mi ny u n n a nc a nb eg o t t h r o u g ht h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ef o r m a t i o na g ea n dt h ed i s t r i b u t i o na r e aa n dt h ep r o p e r t i e s a n dt h et h i c k n e s sa n dt h ea r e ao ft h er e ds t r a t u me v e n c o n t r a s t i n gt h ec h a r a c t e r so ft h et w o p a r t so fr e ds t r a t u mi ny u n n a np r o v i n c e r e ds t r a t u mw h i c hh a st h ep a r t i c u l a re n g i n e e r i n gc h a r a c t e r s ，i sc o n s i d e r e da sa l 【i n do f t h ew e a kr o c k i no r d e rt or e s e a r c ht h ee n 百n e e d n gc h a r a c t e r so ft h er e ds t r a t u mi ny 咖a n t h i sp a p e rc o n t r a s t sa n da n a l y z e st h em i n e r a lc o m p o s i t i o na n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d t h e 1 5 h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o m b i n e dw i t ht h ed a t ao ft h e o l dr o a dc o n s t m c t i o n t h ep a p e ra n a l y z e st h ee x p a n s i b i l i t ya n dt h ed i s i n t e g r a t i v ea n da l s oa n a l y z e st h ee n g i n e e r i n g c h a r a c t e r so ft h ew e a km u d d e di n t e r c a l a t i o na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h ew e a km u d d e d i n t e r c a l a t i o n t h ee n g m e e n n gc h a r a c t e r sd e t e r m i n et h et o p o g r a p h ya n dg e o m o r p h o l o g y ，l i t h o l o g y c o m b i n a t i o na n d h y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h er e ds t r a t u mi sa p tt ob e i n gd e s t r o y e da n dm a k e st h ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r s b a s i n go nt h e s t a t i s t i c so ft h eh i g h w a ys l o p ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r so ft h er e dr o c ki ny u n n a n p r o v i n c e t h e s l o p ep a t t e r n sa r ea n a l y z e d t h e nw ec a np r e l i m i n a r i l yj u d g et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e g e o m e t r i cc o n d i t i o n sa n ds t a b i l i t yo ft h e r o c k f i n a l l y ，t h ec h a r a c t e r so ft h es l o p e e n g i n e e r i n gd i s a s t e r si sa n a l y z e di n c l u d i n gt h es l o p ep a t t e r n s ，s l o p ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r s a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e ma n dt h e p e t r o f a b r i c k e yw o r d s ：r e ds t r a t u mi ny u r m a n p r o v i n c e ；d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r ；p e t r o f a b r i c ； e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r ；s l o p ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打t t ”) 学位论文作者签名：b 孺荔 指导老师签名： 日期：刃加j _ 7日期2 ot o 新助 砌夕醐匕 q 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 在收集云南红层相关资料和阅读大量红层边坡病害特征理论知识的前提下，主要 进行了以下工作：通过收集云南红层资料，对云南红层分布范围、形成年代进行分析， 并以红层岩组为单位，对云南红层分布面积等特征进行了详细分析：分析对比了滇西、 滇中红层的化学成分和矿物成分特点，并对工程特性进行研究，分析了其物理力学特 性、软弱泥化夹层的工程性质，以及影响软弱夹层的因素；通过对云南省红层地区高 等级公路边坡工程病害调查研究，对云南红层边坡工程病害特征进行分析，包括云南 红层边坡结构类型、边坡开挖工程病害以及岩组与病害发育之问的关系。为云南省红 层地区及类似地区工程建设提供一定的理论依据。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 南瑶劣 日期：加- j ；7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 m 1 1 课题研究的目的与意义 第1 章绪论 红层指三叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪沉积的外观上以紫红色和杂色的陆相碎 屑岩沉积地层，岩性为砂岩、泥岩、砂泥岩、页岩，其分布十分广泛，主要分和于我 国的西南、华中、华南和西北地区。 红层岩体具有亲水性强、透水性弱，在水的作用下易软化、塑变，吸水后岩体膨 胀，失水后岩体收缩，易崩解，抗风化能力弱，抗压抗剪强度低等特性。同时，红层 多为砂岩、粉砂岩、泥岩互层，层与层之间的层面结合力差，易沿层面解体滑落，因 此红层地区易于发生地质灾害。 红层地区常见的工程病害有红层路基填料病害和边坡开挖工程病害等。红层地区 特别是山区的路基工程建设受到众多条件限制，使得很多工程都需要以红层作为路基 填料，相应就带来很多诸如边坡坍塌、路基翻浆、路堤渗流和路基滑移等工程地质问 题。红层地区边坡开挖也是工程建设中不可避免的，从而边坡开挖工程病害也是常见 病害之一，例如2 0 0 2 年1 2 月至2 0 0 3 年8 月，安楚公路红层开挖边坡发生变形失稳 破坏2 5 处；元磨高速公路k 3 0 3 k 3 7 1 段共共发育滑坡51 个，平均0 7 5 个k m ；大保 高速公路k 3 5 9 k 4 4 8 段，发育滑坡6 2 个，平均o 7 个k m 。 因此，鉴于西南地区红层分布范围广泛，边坡工程病害发育的特点，对云南红层 的研究分析十分重要。通过对云南红层资料较为系统的总结归纳，加深对云南红层分 布分区、物质成分和物理力学性质、区域地质与水文工程地质环境特征、以及有关工 程性质的认识，为今后进一步全方位、多角度、更深入细致地了解、研究红层及其相 关工程问题打下基础。并且通过对云南省红层地区高等级公路边坡工程病害调查研究 分析，对云南省红层地区公路边坡病害特征有一个客观认识，为红层及类似地区工程 建设提供一定的理论依据。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 红层分布及工程特性研究 红层在世界很多地方都有分布【1 2 1 ，如墨西哥海湾地区侏罗纪红层【3 i 、俄罗斯地台 东部的二叠纪红层1 4 1 、德国北部和南部盆地的石炭纪二叠纪红层【5 i ，美i 雪p e n n s y l v a n i a 州等地也有红层分布。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曼舅喜皇曼舅皇曼量量曼量曼量e 曼皇暑囊i t i * i i , , h i ! 罾薯曩一 最早认识中国红层的是德国地质学家李西霍芬f 捌，在1 8 6 8 1 8 7 2 年问对中国进行调 查基础上编写的五卷“中国著作中谈到了中国华南等地的红层。 随后中国学者开展了大量的地层学调查研究工作。1 9 8 0 年，曾昭璇、黄少敏在中 国自然地理地貌中，专题论述了中国红层的分布、岩石学特征、地貌发育和形态特 点i 7 1 。1 9 8 2 年中国地质科学院主编的中国的地层i s ) 丛书也对我国的红层进行了较为 详细的论述。 红层的研究首先是地层学和古生物学的问题，自地层学领域开始，对红层的研究 主要从地质学角度，如红层的分布规律、地层岩性特征，地貌特征等，对红层岩土体 的矿物学、岩石学、地层学、古生物学等特征进行了研究。 1 9 5 9 年，四川省水利电力厅水利水电设计院从红层岩石的工程地质性质、风化、 岩石中的可溶盐、裂隙、软弱夹层、滑坡等方面对四川盆地红层的工程地质条件进行 了初步探讨1 9 1 。此后，我国对红层的分布进行了详细的研究，中国科学院南京古生物研 究所等单位在6 年野外调查的基础上，综述了滇中区和兰坪思茅区生代红层的分布规 律及其生物群【1 0 】；戴广秀等对湖北省丹江口地区红层的成因、物理力学性质及其影响 因素、风化规律等问题进行了初步分析【1 1 1 1 唐时嘉研究了四川盆地红层古风化壳的形 成、分布和物理化学性质。认为四川盆地的红色古风化壳可以分为三个带。古风化壳 土体中a 1 的含量和粘粒中a l ，f e 含量依第三、第二、第一风化带序列增加，而m g ，c a ，n a ， p ，m n 和粘粒中s i 的含量则反之【1 2 1 ；乔建平总结了乐山地区红层滑坡的分布特点f 1 3 1 ；程 强等根据我国红层的分布特征及其形成背景，将我国红层划分为西南地区红层、西北 地区红层、中南、东南地区红层和其它地区红层。重点研究了以川滇红层为代表的西 南地区红层和以甘肃红层为代表的西北地区红层。研究了各个区域红层的地质构造特 征、地形地貌特征、气候环境特征等工程地质环境特征f 1 4 】；李廷勇等对中国红层及其 发育的地貌类型进行了总结【1 5 1 。 国内专门针对红层的研究主要是在铁路、公路等工程建设中，对某处的红层边坡 做某方面的具体研究【1 6 l 。成昆铁路技术总结委员会在成昆铁路中对3 3 9 公里红层线 路的施工总结，详细介绍了铁路路基工程、桥涵工程、隧道工程建设中，在红层地区 遇到的滑坡、路基变形、风化剥落、易溶盐及其环境水、翻浆冒泥等各类工程地质问 题1 1 7 i 。胡文华、杨子文等采用室内试验与现场试验相结合、静力法试验与动力法试验 相结合、小块岩样试验与现场岩体试验相结合等综合研究手段，从岩性与构造、岩石 的工程性质、岩体的变形与剪切、岩体的工程分级等方面对四川盆地红层的工程性质 进行了研究，初步研究了四川盆地红层岩石物理力学指标变化范围以及指标间的经验、 半经验关系，并对岩体的工程分级进行了初步探讨【l 引。韦俊行总结了四川红层地区水 利水电建坝工程地质勘察主要经验教训【1 9 1 。王茂靖总结了广州市地铁一号线工程红色 碎屑岩的工程地质特础2 0 1 。胡厚田总结了焦柳线红层边坡病害的规律性【2 1 1 。吉随旺等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 皇量舅舅曼曼曼皇曼皇置曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇_ 一 _ i i i i ；m o i 一一i ii i 鼍曼曼曼曼皇曼鼍蔓舅曼曼皇皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼量 对川中地区白垩系、侏罗系的泥岩、泥质粉砂岩的抗压强度进行了统计分析，得出了 红层岩石作为地基时抗压强度的取值范围f 2 2 j 。姚勇等就滇西红层对高速公路的危害和 防治对策进行了分析1 2 3 】。钟生军等通过了对成渝铁路沿线红色砂岩的调查研究，应用 试验手段研究了地下水的化学淋滤对砂岩强度的影响，并得出淋滤率与砂岩强度的关 系式，为红层边坡的稳定性评价提供了依据【2 4 1 。 另外一些学者针对不同地区对红层进行了工程性质等方面的研究，居恢扬、顾仁 杰从工程地质的角度提出了红层的特定概念，对红层的展布规律、岩性特征、构造特 征和工程性质作了简要论述【2 5 1 。吴泉根以红层岩层的地质特性为基础，论述了红层地 区工程地质勘察工作的内容和方法，并提出了建坝的工程地质问题和工程对策1 2 6 j 。朱 定华根据大量的试验资料对南京红层的风化特征及其工程地质性质进行了研究，提出 了红层风化壳划分的详细方案，并对红层流变特型和长期强度作了初步的探索【2 7 1 。赵 志祥等从黄河上游中型电站坝基红层沉积的岩相古地理环境、岩石特性、物理力学性 质、水理性质及抗风化能力等方面入手，分析了红层的工程特性及建坝存在的主要工 程地质问题，探讨了适应红层特点的设计对策和处理措施【2 引。陆恩施对红层软弱泥化 夹层抗剪强度研究方法进行了探讨【2 引。刘汝明、孙英勋等在对云南中生代红层矿物组 成时发现其中泥质胶结物占了4 3 8 4 8 ，主要矿物为方解石，长石石英及云母，绿 泥石等，且对其工程地质特征及工程对策进行了探讨【3 0 】。 1 2 2 红层边坡病害研究 红层是著名的易滑地层，边坡稳定问题非常突出。红层软岩滑坡广泛分布于云南、 四川、甘肃等省，据统计，我国西部地区红层软岩滑坡约占各种类型滑坡总数的四分 之一，在甘肃省东部地区约占各种类型滑坡总是的三分之一【，1 1 。在四川盆地红层中， 每年雨季发生大量的坡体塌滑灾害，如王少东对1 9 8 1 年6 至9 月四川省由于六次暴雨引 发的6 万多处滑坡的统计表明，滑坡多发生在侏罗系、白垩系的红层中f 3 2 j ；在铁路工程 建设中，因坡体开挖、填筑等诱发大量的工程滑坡和古滑坡复活，其中以成昆、焦枝 等线红层滑坡居多。近十余年来，西部地区高等级公路建设得到了快速发展，由于四 川、云南、甘肃等西部省区红层广发分布，因此大部分高等级公路不同程度的穿过红 层分布地区，大量的红层地区高等级公路建设实践表明，红层软岩地区公路修建中路 堤填筑、坡体开挖过程中诱发的坡体塌滑灾害等一系列问题非常突出。 因此研究红层边坡失稳机理是十分必要的的。目前，边坡稳定性评价方法主要包 括两大类，即定性分析方法和定量分析方法【3 3 】。定性分析法主要是通过工程地质勘察， 对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对 已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其 可能发展趋势的定性的说明和解释。定量分析法主要有极限平衡分析法1 3 4 - 3 7 l 和数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 法f 3 & 4 0 1 。 综上所述，对红层工程性质及其病害的研究，最初人们主要集中在物理性质、水 理性质、力学性质三个方面，积累了丰富的实验资料，同时也表明人们对红层的认识 也主要集中在基本的工程性质的认识。多数学者对红层岩土体的低强度、崩解、软化 等特性等有着较为一致的看法。此后，学者们开始注重具体红层工程性质、工程地质 问题的分析与总结。水利水电部门对红层的物质成分，包括矿物成分、化学成分，各 种成分的含量等的研究方法已经日趋成熟，例如扫描电子显微镜，x 射线衍射仪等。都 从微观方面研究了红层的成分。尤其是易溶盐溶蚀及其环境水的腐蚀问题、软弱夹层 问题的认识比较深刻。道路工程部门对工程施工造成的滑坡、路基变形沉降等问题有 更多的研究。此外，还有部分学者结合工程需要对红层岩土体的分布规律、地貌特征 进行了深入研究f 4 l 】。但是对红层岩组进行研究相对较少，本文根据云南省区域地质 志及中国地层典等资料，重点考虑红层岩组特征，对云南红层的分布及其边坡 工程病害进行详细的研究。 1 3 课题研究目标、研究内容 1 3 1 课题研究目标 本论文通过大量资料搜集，运用数学统计及理论分析等研究手段，对云南地区红 层分布特征、工程特性及其边坡病害特征进行研究，为云南红层地区公路建设提供一 定的参考价值。 1 3 2 课题研究内容 本文结合云南地区红层的相关数据，对云南地区红层分布、工程特性及边坡工程 病害特征进行研究，主要研究内容如下： 1 云南红层分布特征 包括云南红层地理分布范围、时代背景特征和红层岩组特征，并进一 步通过岩组厚度和面积特征对滇西、滇中红层进行分析。 2 云南红层工程特性 从矿物成分、化学成分和物理力学性质分析云南红层工程特性，并从 膨胀性、崩解性和软弱泥化夹层及其影响因素等方面对滇西、滇中红层工 程特性进行分析。 3 云南红层边坡工程病害特征分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通过云南红层区域工程地质条件差异，分析滇西、滇中红层边坡病害 发生的条件；并对云南红层边坡结构特征进行分析，包括岩体结构类型、 特性以及稳定性等的分析。同时对云南红层边坡病害特征进行分析，并分 析红层岩组及其病害之间的关系。 1 4 研究方法和技术路线 本文在广泛收集、整理资料的基础上，结合理论分析等研究手段，研究 分析云南地区红层分布特征、工程特性以及边坡工程病害特征。本文技术 路线如图1 一l 所示。 图l l 论文技术路线图 窖雪苫兽銮主翟老要塞耋：兰鲨銮兰：要 第2 章云南红层分布特征 云南红层是指分枷干云南省境内的侏罗系、自垩系以及少盈的第三系地层，其岩 性主要为泥岩和少量长石石英砂岩。出于沉积环境的差异和后期地质作用的改造2 】： 屡的颜色主要为棕黄、祸黄、紫红、褐红、瓠紫等偏红色调。根据研究红层面积占 云南省圃土面积的l 3 ，约为1 20 6 10 4 k m 2 p 2 i 。本章结合红层分布的地理范围将云南红 层划分为滇中和滇西两大部分，并从其形成的地质背景和岩组特征逐一进行详细的分 析，得出云南红层的分布特征。 2 1 云南红屡地理分布范围 红层的分撕，不仪仅是指出露地裘的红层还包括被后期地层掩盏的下伏的地层。 根据云南各市县的地理位鹄! 可以将云南划分为滇中、滇西、浈卤、滇北和澳东五个 区域。但是在红层分布范田确定时，各研究人员的界定却有所差异，本文采陈军等 分区方法，大致以n w s e 向苍山哀牢山变质带为羿，将云南红层分为滇中和滇西 两大区。滇中红层以楚雄为中心，顺南北向= ： = 致呈倒三豫彤分= f i j ；溃西红层区则沿兰 坪一恩茅一带呈n w s e f 自j 展j f i i ，两头分布较宽中蝴狄长，井可进一步划分为南区 和北区”j i 。具体分布如图2 1 所示。 _n 幽2 i 云街红层分布简附 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 滇西红层：分布于迪庆藏族自治州的维西县大部分地区，德钦县有少部分，朋江 地区朋江县的部分地区，思茅地区的大部分地区，景洪傣族自治州勐腊县全部地区l 删； 滇中红层：分布于楚雄彝族自治州辖全部l o 个县市，昆明市辖安宁县、禄劝县、 富民县的大部分地区，玉溪市辖玉溪、通海、易门、峨山、新平县部分地区，大理白 族自治州辖的宾州、祥云县大部分地区，金沙江以南，哀牢山以东，禄丰董户村以西 的广大地区1 4 4 - 4 蚋。 2 2 云南红层时代背景特征 根据国内学者的研究，目前所发现的发育丹霞地貌的红层均不早于中生代，其中 以白垩系红层最多( 约占8 0 ) ，形成丹霞地貌的最老红层为三叠系。红层的形成受 到古地理环境的制约，不同地质年代地理环境也发生相应的改变，从而形成具有不同 分布范围和岩性的红层。 2 2 1 红层形成的古地理环境 红层是一种典型的陆相沉积相【4 7 l 。其含可溶性盐较多，许多盆地相红层中都夹有 膏盐层，如粤北南雄群红色泥岩、皖南体宁盆地红层及川南、甘肃等地的红层中都夹 有多层的含石膏层。故而认为大部分红层堆积在封闭的、相对干燥的内流盆地环境中。 而在盆地堆积的后期，随着盆地抬升、湖水外泻而淡化，红层中没有盐沉积，但 仍处于相对封闭的内陆环境，在淡化的盆地中沉积的红层往往比盐化的湖盆中沉积的 红层要坚硬一些。由于红层中大多含有碳酸盆岩碎屑或钙质胶结物，甚至含有蒸发盐 夹层，目前大部分学者认为红层形成在炎热干燥的环境下。但是红层的红色主要是高 价铁( f e 3 + ) 相对富集而成的，这个富集过程必须要有足够的淋溶作用。按照“将今 论古 的古地理研究原则，红层形成的古气候环境应是一种类似于现代热带、亚热带 半湿润、半干旱气候或干湿季气候，以保证有足够的淋溶并保持长时期的氧化环境。 地质历史上，红层沉积一般发生在古热带和亚热带盆地中，相当于古纬度1 5 - 3 0 0 范 围内。 此外，海相或海陆过渡相红层在沉积过程中大部分时间不是氧化环境，因此其红 色往往是沉积的钾长石颜色或二价铁胶体颜色。而过渡相沉积受陆地环境影响较大， 在海侵海退比较频繁的古代近海翁地则可能形成与陆地红层接近的沉积特剧4 8 1 。 非红色砂岩、页岩、泥岩也是红盆地中常见的岩系，厚达百米或上千米。它们多 属三角洲相和湖相沉积，颜色为青灰色和灰绿色，说明它的还原系数较高。非红色岩 系是在还原环境下形成的。因古河谷和湖泊长期处于水淹状态，还原环境代替了氧化 环境。所以沉积上出现由紫红色泥岩转变为灰绿色泥岩、碳质页岩、油页岩等1 4 9 1 。因 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 此，红层的形成一般应具备以下三个基本条件： ( 1 ) 适合沉积的古地貌条件：主要指古盆地和古湖盆。不论是我国西北在三叠 纪形成的红层，还是西南、东南在侏罗纪、白垩纪形成的红层，都是发育在各种类型 大大小小的盆地或湖盆中。 ( 2 ) 适宜的古气候条件：我国红层大多形成于干旱、炎热的古气候环境。只有 在一定的温热条件下，原始的基岩才能形成原始的红色风化壳，再在古盆地或湖盆中 沉积，固结成岩，形成今日之红层。此外，红层的形成，必须有三价铁的相对富集以 体现红色。 ( 3 ) 构造运动对红层形成的重要影响：构造运动可以改变大地轮廓。晚三叠世 的印支运动使我国南方许多地方隆起成陆，在侏罗纪发育了红层：侏罗纪一白垩纪的 燕山运动，使我国长江中下游以南形成北北东、北东向的山脉和大大小小的山间盆地， 这些盆地为红层的发育提供了沉积环境，形成今天广布的红层盆地。 云南省广泛分布着红色的侏罗纪一白垩系地层，通常由泥岩、粉砂岩、砂岩交替 组成，简称云南中生代红层【3 0 】。云南中生代红层是川滇中生代红层的一部分，厚达 5 0 0 0 - 1 3 0 0 0 m ，其上往往连续堆积下第三系红色岩层，统称云南红层。 2 2 2 滇西红层形成背景 滇西红层主要为白垩系、侏罗系地层，岩性主要为紫红色、紫灰色、灰黄色长石 石英砂岩、泥质粉砂岩、泥岩互层。白垩、侏罗系地层之上为第四系残坡积层，岩性 由紫红色碎石土、块石土组成，局部夹亚粘土。 早侏罗世以古陆剥蚀区为主，西部滇西古陆、东部牛头山古陆、北部玉龙山古陆 及中部的哀牢山古陆等围绕构成的西部及东部2 个沉积盆地。滇西区范围相当于兰坪一 思茅地层区的漾濞分区。以浅湖一滨湖相沉积为主，岩石类型为粉砂岩、泥岩夹泥灰岩， 生物以介形类为主，沉积厚4 0 0 7 0 0 m 。靠玉龙山古陆西侧，以河流及河流三角洲相沉 积为主，岩石类型为砂岩、粉砂岩夹泥岩及砾岩，沉积厚2 0 0 4 0 0 m 。 中侏罗世滇西地壳以沉降为主，早侏罗世的古陆被解体，沉积区逐渐扩大，由早 期河流相为主至中期、晚期的浅湖相为主组成的沉积旋回。滇西区即哀牢山古陆及玉 龙山古陆以西的兰坪一思茅地层区及保山一昌宁地层区。中侏罗世中期具海相、海陆交 互相特征。 晚侏罗世时，云南地壳抬升，滇西诸古陆、玉龙山古陆、哀牢山古陆及东部的牛 头山古陆扩大，沉积盆地大为缩小，其范围限于哀牢山古陆的东侧楚雄地区，西部漾 滇一绿春及景谷地区。 滇西区以浅湖相沉积为主，主要岩石类型为紫红色粉砂岩、泥岩、少量细砂岩， 沉积厚度大于8 0 0 m 。沿哀牢山古陆西侧雪门坎、漾濞及绿春一带以河流一滨湖相为主， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼 ：m m m l = m = m m m ：m m m = m m ：in =i 鼍曼舅曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇! 主要岩石类型为粉砂岩、细砂岩、泥岩夹砾岩，沉积厚度4 0 0 8 0 0 m 。 云南白垩纪的古地理继承了晚侏罗世的格局，仍由西部的滇西古陆及中部哀牢山 古陆等围绕构成的滇西内陆沉积盈地。 2 2 3 滇中红层形成背景 滇中红层形成于侏罗系和白垩系，第三系有零星沉积。晚三叠世云南境内地壳运 动强烈，沉积环境变化较大，气候交得干燥炎热并与潮湿多雨交替，干燥炎热气候使 地表物质受到强烈风化和氧化，形成大量碎屑和氧化物质，潮湿多雨对动植物生长有 利，大量洪水不断运移风化、氧化物质，形成巨厚、广泛的河、湖相红色沉积地层， 此种气候环境一直延续至渐新世末期。滇中红层就在此时期形成的一套发育齐全、沉 积旋回清楚、具三分性、厚度巨大的河、湖陆相红色碎屑沉积地层【4 4 1 。 早侏罗世滇中昆明以西至楚雄地区，以浅湖一滨湖相沉积为主。主要岩石类型为泥 岩、粉砂岩、细砂岩：上部夹泥灰岩，下部夹中一粗粒砂岩及少数砾岩。 中侏罗世滇中区仍以内陆湖泊沉积为主，除中期沉积区扩大外，基本轮廓与早侏 罗世一致。滇中区分为半深湖相区，浅湖相区和河流一三角洲一滨湖相区。 晚侏罗世时，云南地壳抬升，半深湖相区分布于盆地中部楚雄一新平一带，岩石类 型下部以紫红、黄、灰绿色细砂岩为上，夹粉砂岩及少量泥岩；上部以灰绿、黄绿及 紫红色泥岩，粉砂岩为主，夹泥灰岩，具杂色条带，含膏盐，水平层理发育。 云南白垩纪的古地理继承了晚侏罗世的格局，早白垩世早期的沉积范围在滇中楚 雄的局部地区，晚白垩世云南地壳绝大部分地区抬升形成古陆。沉积区仅限于滇中楚 雄、大姚、元谋、永仁、永胜一带及滇南普洱以南营盘山一带。这一时期以浅湖一滨湖 相为主，河流相限于滇中盆地边缘。滇中区以浅湖滨湖相沉积为主，主要岩石类型为 紫红、黄绿、灰绿色粉砂岩、泥岩夹泥灰岩、细砂岩、含铜细砂岩等。具杂色条带， 水平层理、波状层理、波痕均发育，还有少量微斜层理及交错层理。沉积厚4 0 0 8 0 0 m 。 盆地边缘以河流一滨湖相沉积为主，岩石类型以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，下部为粗 砂岩及砾岩。砂砾岩多呈透镜状，成分复杂、分选差、成熟度低，具斜层理及水平层 理。沉积厚度小于4 0 0 m 。 2 3 云南红层岩组特征 云南红层受到形成背景的影响，各时代发育不同的岩组，岩组也是云南红层组成 的基本单元。本节主要从岩组形成年代、分布区域、岩性特点和出露厚度等方面对云 南红层岩组的特征进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 2 3 1 岩组分布年代及区域 由前文分析可知，云南红层主要为白垩系、侏罗系和第三系地层，通过统计，各 地层所含岩组共2 2 个，其所属地层如下所示。 侏罗系地层主要含有1 0 个岩组，分别为冯家河组、张河组、蛇店组、妥甸组、 漾江组、花开左组、和平乡组、坝注路组、勐戛组和芦子箐组。 白垩系地层主要含有7 个岩组，分别为普昌河组、马头山组、江底河组、景星组、 曼岗组、曼宽河组和弄坎组。 第三系地层主要含有5 个岩组，分别为勐野井组、路美邑组、小屯组、云龙组和 果郎组。 根据上述研究，云南红层主要分布在滇西和滇中两大区域，因此根据对岩组分布 地点的统计分析，将其进行区域划分，如表2 1 所示。 表2 1 红层岩组分布区域 祥云县普昌河广泛出露丁二楚雄分区内 元谋县马头山广泛分布于元谋绿汁江断裂两侧 大姚县江底河大致与马头山组相同 滇中 滇中 滇中 河 山 河 吕 头 底 普组马组江组 白垩系 置耍銮鎏銮主要主2 銮兰耋竺兰耋兰! ：要 曼宽河 组 卉坎组潞州县弄坎至遮放 景星组兰坪- 思茅地区 昔洱县崩扎一带和勐腊县尚勇、南坡一带 滇西 潞西县弄坎遮放一带 兰坪一思茅地区 曼岗组景谷县和平乡云龙县虎头寺带也有出露 滇西 滇两、滇 滇西、滇 从各岩组的分布区域来看，滇西红层共含有1 3 个岩组，其中侏罗系7 个，白垩 系4 个第三系2 个；滇中红层也含有1 3 个岩组，其中侏罗系5 个，自垩系5 个， 第三系3 个。因此，滇西红层岩组与滇中茇育相当，均以侏罗系岩组最为发育，如图 2 2 所示。 232 岩组岩性特征 图2 - 2 演西、滇中红层岩组对比 不同的地质年代成岩环境不同红层作为一种陆相碎屑沉积岩，受到沉积环境的 影响较大，从而形成的岩组具有不同的岩性。 1 沉积相分析 一定的沉积环境形成具有一定岩性特征和古生物特征的沉积物，沉积相的概念就 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 是为了反映沉积物和沉积环境的关系而提出来的。沉积相一般分为三类，即大陆相、 过渡相和海相：陆相沉积按其形成环境可分为冲积扇相、河流相、湖泊相、沼泽相、 沙漠相和冰川相；过渡相分为三角洲相、堡岛碎屑岩相和潮坪泻湖碳酸盐相。结合 前文云南红层的形成背景，对云南红层各岩组进行沉积相统计，如表2 2 。 由表可知，云南红层主要为陆相沉积相，少见过渡相沉积。陆相沉积的主要特点 是以陆源碎屑沉积为主，内源沉积较少。碎屑沉积物的成分复杂，分选性和圆度不好， 岩层变化大，分布范围小。过渡相的主要特点是其盐度不正常，多为半咸水或超咸水 环境，沉积物有的地区以陆源碎屑为主，有的地区则以碳酸盐岩、蒸发岩等内源沉积 岩为主。 表2 2 云南红层岩组沉积相 受到沉积相的影响，沉积岩的颗粒粒径大小各不相同，在沉积过程中表现出一定 的规律。本节以滇中马头山组、江底河组和滇西曼岗组、曼宽河组为例进行说明。 滇中马头山组在元谋以北，下部以粗砾岩、巨砾岩为主，砾径可达2 0 c m ，砂岩 具大型陡倾角斜层理。元谋以南砾岩砾径变细，中部夹多层紫红色粉砂岩、钙质泥岩 及页岩、泥灰岩，含钙质结核及团块。西部及中部大姚六苴一带，以细一粉砂岩为主 夹砂质泥岩，底部有少量砾岩。马头山组厚度变化也大，厚6 - 6 0 0 m 不等，一般由北 向南增厚。 滇中江底河组在永仁、永胜一带较粗，夹中粒长石石英砂岩及砂砾岩、砾岩，分 段不明显。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ； 。? 。彻2 ，j i 厂j 一、。k0 | 一” ， 9 、 卫 帖。 厂 一 、 s ? ，一_ j； ? 7 、 7 r o 司口平面一、 l 、 7 。 。，。；1 3 。f 1 2 1 罗1 、? ，+ 。7 j 一 1 。 、，一。l 。谁田口j o 翻 一j 圈2 - 3 云南红层部分岩纽分布嘲 滇西曼岗纽景谷县和云龙县砂( 砾) 岩成分复杂，分选差，成熟度低，具大型单向 斜层理，横向变化大，层间小韵律发育，常具冲刷现琢，厚6 0 0 - 1 2 0 0 m 。 滇西曼宽河组在酱社县崩扎一带，底部有少量泥砾岩。勐腊县尚勇、南坡一带细 砂岩增多，具斜层理，最大厚度达3 0 0 0 m 以上。 因此，云南红层总体上讲，滇西和滇中都具有粗颗粒多分枷在近北方而南方颗 粒相对较小的特点。 2 颜色分析 沉积岩的颜色是一种重要的直观标志，可按成因分为原生色和次生色。颜色反映 了岩石韵特古组分和沉积成岩环境。一般情况下。红色、紫红色、褐红色、棕黄色的 岩石古有三价铁的氧化物或氢氧化物，反映岩石在氧化或强氧化环境下形成。红色 主要见于炎热干旱气候条件下的陆相沉积物中，也可出现在炎热潮湿气候条件下的陆 帽或海帽沉积物中。 作为陆源沉积岩红层的颜色主要表现为棕黄、褐黄、紫红、褐红、扶紫等偏红 色调。通过对2 2 个云南红层岩组的统计，可知其颜色主要为紫2 1 色、扶紫色、褐黄 色和红色，其中慷罗系和白垩系红层多为紫红和荻紫色，而第三系红层受到形成环境 的影响，基本上呈现出红色。各种色调所占比例不同，紫红色为最主要的色调，约占 5 5 扶紫色和红色次之，褐黄色最少，仅占1 0 ，如下图所示。从区域上讲，滇西 红层和滇中红层均以紫红色为主，扶紫色次之，滇西红层褐黄色较发育滇中则红色 相对发育，如图2 - 4 。 这里需要指出的是各岩组中并非都为红层，其中还 l 杂有其它颜色的岩石，例 如黄绿色、扶绿色、灰色及其形成的杂色条带。 直星耋鎏銮耋翟老雪鎏耋誊兰誊銮兰：至 “也 肇“也 红层岩纽色调比例幽 红层岩细麒色痣域分布 酗2 4 红层岩组颜色分布 3 岩性分析 陆源碎屑岩的一般特征表现为物质组成成分和结构组成特征。在陆源碎屑岩中常 见矿物主要为石英、长石和云母，陆源碎屑颗粒结构特征包含颗粒大小和形态。因此 结合云南红层2 2 个典型岩组的特征，本节主要从岩石颗粒大小和所含矿物碎蒯物质 方面进行分析。 根据碎屑颗粒的大小，陆源碎屑岩可以分为四类： 砾岩：碎盾直径) 2 i n n l ； 砂岩：碎眉直径2 - 00 6 3 m m ： 粉砂岩：碎屑直径00 6 3 00 0 4 m m ； 泥质岩：碎倒直径 o0 0 4 m m 。 根据统计，云南红层主要含有泥质岩( 泥岩和页岩) 、粉砂岩、砂岩和砾岩，按 照其所含物质成分及颗粒大小，可做如下细分( 表2 3 ) 袭2 - 3 云南红层岩性分类表 各种岩性在组成分柿时，多以问必或互层的形式出现，井以泥岩和砂岩为主，例 如粉砂质泥岩央细砂岩、粉砂岩与泥岩互层等。按照云南红层的形成年代其岩性具 有三分性： ( 1 ) 云南侏罗系的三分性，即侏罗系由三大套岩组组成：下部红色岩组uj ) ；中 部杂色岩组u 2 ) 上部红色岩组0 3 ) 。在云南中生代红层中，杂色岩组经常出现，而以 中侏罗统最为发育。 ( 2 ) 云南白垩系也由三大套岩组组成：下部岩组( k i ) ，以黄绿、扶色砂岩和紫红 西南交通大学硕士研究生学位论文第f 5 页 色泥岩、粉砂岩为主：中部岩组( 硒。) 紫红色砂岩顶部为扶绿、扶白色砂岩：上 部岩组( k 2 ) ，以紫红、杂色泥岩、粉砂岩为主。 由于不能获取各种岩性的分柿厚度或面积，因此，对各岩组岩性出现的频率次数 进行分析，其在一定程度上也反映出各岩性所占的比例，如图2 - 5 所示。由图可知， 云南红层以泥质岩( 约4 1 ) 和砂岩( 约2 7 ) 为主，粉砂岩( 约1 9 0 o ) 次之，而砾 岩最少。其中，侏罗系和自璺系地层红层岩性多为泥质岩和砂岩，而第三系地层则主 要为泥岩。 从分稚区域上分析滇西和滇中红层各岩性分布也不相荆，如图2 所示。滇西 红层以砂岩、泥岩出现次数最多，粉砂岩和砾岩次之，各格性出现率相对较为均匀， 这是受到滇西红层南、北两个方向的岩石颗粒大小差异的影响。滇中红层则以泥岩出 现较多砂崭、粉砂岩次之，各岩性出现率相对较不均匀。 困此，云南红层岩性以泥岩和砂岩为主，粉砂岩次之，但滇西和滇中红层所含岩 性比例略有差异：滇_ 西砂岩和泥岩相差不大，滇中则泥岩相对较多。 砂岩 粉砂符 驰 l 溉 刚2 - 5 云南红麒再岩性出现频率 同时红层还具有一定的含矿性 头山组局部含铜，曼岗组亩台氧化铜 云南青、盐矿的重要赋存层位之一。 233 红层厚度及面积 图2 缶滇西、演中红屉备岩性山现额牢 含矿的岩组都主要分枷在滇西。例如白型系马 曼宽河组合铜，第三系勐野井组和云龙纽都是 为了能进一步分析云南红层分都范围特征，根据云南省区域地质志对云南红 层岩维的厚度进行统计分析。山于岩组分枷并不集中在同一地方，故在统计t 选取岩 组的典型剖面，各岩组的厚度如表2 _ 4 所示。 通过各岩组及j e 红层厚度，对滇西和溃中红层厚度进行分析，分析时上述表格巾 “基本为红层”按8 0 0 “大部分为红层”按7 0 计算。通过计算可知，滇西红层约6 2 4 7 m ， 演中红层约5 3 8 5 m ，滇西滇中共有岩组的厚度约为3 0 7 7 m ，其中溃西红层中曼宽河组、 弄坎组和聚郎组，澳中红层张河组、妥甸组厚度均超过1 0 0 0 m ，如图2 7 所示。 袭2 4 云南红层岩组厚度统计 至蜜窑塑奎茎蝥圭至塞耋耋堡篓三兰：要 滇西岩组红层厚度滇中岩纽红层厚度 图2 - 7 云南红层岩组厚度 红层厚度是其分布的一方面因素，而红层面积也是一个重要因素，因此统计各岩 组的分布面积也是必要的。通过m a p , s