鈣質結核

鈣質結核主要是由碳酸鈣組成的結核狀自生沉積物，又名碳酸鹽結核或石灰結核。 鈣質結核層的形成與氣候因素有關，一般在半乾旱地區的平原或低地由蒸發或淋濾作用形成，也有機械沉積的原生構造，其形成機制受水動力的控制。 一般是在降雨量有限的地區形成，是一種重要的氣候標誌。

基本介紹

• 中文名：鈣質結核
• 外文名：calcareous concretion
• 主要組成：碳酸鈣
• 別名：碳酸鹽結核或石灰結核

鈣質結核的成分

鈣質結核的大量分布是鈣質結核土的重要特徵。結核個體的粒徑大小不一，最小的不足1cm，大的可達30cm以上，但5～10cm左右的最為常見。綜合鈣質結核的發育程度、化學組分和外表形態，可將其分成雛形鈣質結核、完形鈣質結核和鈣質硬磐，具體關係見表所列。

從表可以看出，鈣質結核中含有相當豐富的碳酸鹽，高者可達68.3%，低者亦有31.39%。其中碳酸鈣成分占絕對優勢，可占到碳酸鹽總量的97%以上，此外還含有一定數量的碳酸鎂和碳酸鍶。鈣質結核的發育程度以及碳酸鹽、碳酸鈣和氧化鈣含量隨著結核年齡的增加而遞增。

雛形鈣質結核呈塊狀，與周圍土體漸次過度。薄片觀察表明，它主要由泥晶質碳酸鹽和少量微亮晶質碳酸鹽膠結而成，並且結核中通常嵌埋有較多的土壤碎屑物質以及大小為0.01～0.1mm的石英、長石、雲母碎片。

完形鈣質結核以姜狀和不規則的球狀為主，由於固結、硬化成形，而硬度較大；它由微亮晶質和亮晶質的碳酸鹽，以及大小約0.005mm的方解石膠結而成，某些結核中，石英和長石的質量分數可達20%；結核中的一些大孔隙通常為方解石填充，呈晶管狀或晶囊狀；鐵錳質浸染斑較多，還嵌有不少的鐵錳結核；內部結構一般由不同色調、成分和結構的圈層組成，圈層顏色內深外淺；結晶程度內好外差；質地內密外疏；圈層多圍繞某個核心由內向外同心層生長，其核心多由碎屑顆粒（如砂粒、岩屑）、礦物晶體、蝸牛化石等組成。

鈣質硬磐是由泥晶質或微亮晶質的碳酸鹽、土、沙，甚至動物化石膠結固化而成，體積較大，內部結構質地較均一，固結和結晶程度較差，且具有個體愈大結晶程度愈差的特點；橫斷面有較平整的礫狀斷口，顏色呈灰白-灰褐色，長軸呈近似水平排列。

鈣質結核的類型

通過系統觀察研究區內不同地區、不同層位的鈣質結核的外觀特徵及切片，可將其內部結構大致分為2類：

（1）均質結構，其結構特徵是質地均一，含大量泥質、粉砂質及砂質的碎屑顆粒，分選及磨圓程度較差，呈次稜角狀，為碳酸鈣呈泥晶質或微亮晶質的基底式膠結，固結和結晶程度較差，呈塊狀構造；多為鈣質硬磐和雛形結核，且兩者又因不同的碳酸鈣含量和膠結程度而表現出迥異的工程性質。

（2）同心結構，其核心多為分選及磨圓程度較好的顆粒物質，且以此為中心呈環帶狀向外生長；由於碳酸鈣及鐵錳質含量的不同而呈現出不同的顏色和結構特徵，大致顏色內深外淺，結晶程度內好外差，質地內密外疏；不同層次的結構特徵反映了不同形成環境的變化；完形鈣質結核多為此種形式，在土層中呈分散狀分布，為淮北平原最為常見的形式。

鈣質結核土結構形式和分布特點

二相結構形式

鈣質結核土是由細粒黏性土和粗粒鈣質結核在空間上按一定的規律展布而成。鈣質結核又稱石灰結核或砂姜，多呈黃白色或灰色，形狀呈姜狀、核狀或渾圓狀，粒徑一般3～8cm，大的可達30cm以上，最小的不及1cm。

鈣質結核 採集於甘肅徽縣嘉陵周咀

它是分散的碳酸鹽在矽酸、二氧化物、三氧化物、鐵和錳等吸附性物質的表面與土膠結而成的。鈣質結核的形成與地質時期海平面的升降、古氣候、古河道的變化、地下水作用以及土壤淋溶澱積等因素有關，碳酸鈣的來源主要是富含HCO₃^－－Ca²⁺的淺層地下水，而鈣質結核的大小和形態與地下水保持在這一層位的時間長短以及蒸發率有關。根據鈣質結核的發育程度、化學組分和外表形態的不同，可將其分成雛形鈣質結核、完形鈣質結核和鈣質硬磐3種形態，其中以完形鈣質結核分布最廣。從鈣質結核的微觀結構來看，又可將其分為均質結構和同心結構2類。利用X射線衍射儀和X射線螢光光譜儀對兩者的微觀結構和成分進行分析後發現，同心結構的鈣質結核石英、金屬含量相對較多，且石英結晶度較好；均質結構的鈣質結核方解石含量較多，結晶度較好。由於石英硬度遠大於方解石，因而同心結構的鈣質結核結構穩定性要好些，強度要高些。

分布特點

鈣質結核土在空間上的展布具有明顯的規律性。從平面分布上看，淮北平原鈣質結核土集中分布在河間平地、窪地及黃泛平地上，整箇中南部地區除河流水系流經之處外，均有鈣質結核土的分布，而在古河道高地、泛濫微高地及河漫灘上則少見。從剖面分布看，西北部地勢較高，鈣質結核土埋深較深；而東南部地勢較低，鈣質結核土埋深也較淺。鈣質結核土主要存在於黏土及粉質黏土層中，粉土中也有少量分布，埋深集中在1.0～3.5m，部分地區直接出露地表。從上到下，一般為雛形鈣質結核、完形鈣質結核和鈣質硬磐，結核粒徑隨著深度增加而增大，含量也隨之增多。

鈣質結核土的二相結構影響著土體的力學特性。土體中所含顆粒的最大粒徑、土體顆粒分布的級配特徵以及粗粒鈣質結核的含量都深刻影響著土體的強度和變形特徵。前人的研究成果表明，土體的強度存在尺寸效應，即在開展相關土體力學試驗時，所獲得的數據的準確性會受到土顆粒粒徑與試驗儀器尺寸間的比尺的影響，在比尺較小時，所獲得強度數據會偏高。而當比尺大到一定的水平時，比尺效應對強度的影響就可忽略不計。鈣質結核土中結核的粒徑大小不一，其顆粒粒徑普遍較大，利用常規土工試驗儀器所獲得的數據必然受到比尺效應的影響。同時，大粒徑鈣質結核的存在，使得室內試驗制樣存在很大困難，鈣質結核的尺寸往往比室內試驗試樣大很多，很難制樣成功，即使是利用小粒徑鈣質結核製得了試驗土樣，試驗時也會產生明顯的應力集中的現象，使試驗結果離散性明顯，不具有代表性。因此，本文在研究中利用大型直剪儀開展試驗，以期獲得較為準確和客觀的試驗結果。