武汉市碳酸盐岩天兴洲条带砂化白云岩成因机理及其工程特性

Formation Mechanism and Engineering Characteristics of Sandy Dolomite in Wuhan Tianxingzhou Carbonate Rock Belt

摘要

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带，发育一套巨厚层砂化白云岩.为查明该岩层的成因及工程特性，采用构造调查、薄片鉴定、X射线衍射试验（X⁃ray diffraction，XRD）、X射线荧光光谱分析试验（X⁃ray fluorescence，XRF）、颗粒分析试验、饱和单轴抗压强度试验等多种方法，对砂化白云岩成因及其工程特性进行深入研究.结果表明：研究区位于3条断裂之间，且地层出现倒转现象，表明该区域在印支期所受的挤压应力及燕山期所受的张拉应力非常强烈，区域构造特征及显微镜下照片也佐证了这一观点；砂化程度越强烈，白云石矿物含量就越低，而石英石及黏土矿物含量则越高；CaO、MgO等主量化学成分迁移演化特征与白云岩砂化过程呈一定的负相关性，而SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等主量化学成分则与之呈一定的正相关性.综上所述，研究区内砂化白云岩及其不均性特征的成因机理可以从“宏观构造动力作用”、“细观矿物结构组成”和“微观化学成分变迁”3个层面予以概括.砂化程度对白云岩饱和单轴抗压强度影响极大，其在砂化阶段“微-弱、微-中、微-强”的降幅分别可达38.6%、68.1%、90.0%，且呈幂函数关系；由此，拟合得到⑤₁全砂化极破碎白云岩的饱和单轴抗压强度标准值为1.3 MPa，解决了全砂化白云岩难以制作标准岩样进行室内试验获取岩体力学参数的工程难题.

Abstract

The Tianxingzhou carbonate rock belt in Wuhan has developed an exceptionally thick sandstone dolomite formation. To elucidate the genesis and engineering characteristics of this rock formation, a comprehensive study was undertaken employing various methods, including structural surveys, thin section analysis, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), particle analysis, and saturated uniaxial compressive strength tests. The results indicate that the study area is situated between three faults, and the strata are inverted, suggesting that the region experienced intense compressive stress during the Indosinian period and tensile stress during the Yanshan period. Regional structural features and microscopic observations corroborate this interpretation. Notably, the higher the degree of sandstone, the lower the dolomite mineral content, and the higher the quartz and clay mineral content. The migration and evolution characteristics of major chemical components, such as CaO and MgO, exhibit a negative correlation with the dolomite sandstone process, while components like SiO₂, Al₂O₃ and Fe₂O₃ display a positive correlation. In summary, the primary causes of the dolomite sandstone and its heterogeneous characteristics in the study area can be attributed to three distinct scales: “macroscopic structural dynamics”, “microscopic mineral structure composition”, and “microscopic chemical composition evolution”. The degree of sandstone significantly influences the saturated uniaxialcompressive strength of dolomite. The reduction amplitudes for the “micro-weak”, “micro-medium”, and “micro-strong” sandstone stages can reach 38.6%, 68.1%, and 90.0%, respectively, exhibiting a power function relationship. Consequently, the standard value of the saturated uniaxial compressive strength for the fully sandstone and extremely broken dolomite in ⑤₁ layer was fitted to be 1.3 MPa, resolving the engineering challenge of obtaining rock mechanics parameters for fully sandstone dolomite through indoor testing of standard rock samples.

Graphical abstract

关键词

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带 / 砂化白云岩 / 成因机理 / 工程特性 / 工程地质.

Key words

Wuhan Tianxingzhou carbonate rock belt / sandy dolomite / formation mechanism / engineering properties / engineering geology

0 引言

自从学者们（何文秀，2008；胡相波，2009；崔杰，2009；张良喜，2012；张良喜等，2012a，2012b，等）在四川美姑河坪头水电站提出“砂化白云岩”的概念以来，白云岩及其砂化成因、规律、程度分级及其物理力学性质等问题，越来越受到业界关注：崔杰（2009）将顺层岸坡深部变形破坏现象与深部白云岩砂化现象并列研究，认为白云岩微观溶蚀特征主要受白云石成岩类型与矿物微结构控制.王朋朋等（2019）研究了贵州砂化白云岩物理力学性质受环境影响的程度及规律.Richter et al.（2018）从化学元素层面研究了白云岩砂化机理和破坏模式.姚婷婷等（2020）通过分析白云石同位素地球化学特征，认为渤海湾盆地黄河口凹陷沙河街组白云岩成因机理及过程为：淡水淋滤→成岩环境微生物影响→胶结作用→埋藏白云岩化.刘志波等（2021）和李文奇等（2023）分别通过地球化学、同位素和稀土元素分析，发现不同类型的白云岩具有不同的地球化学特征及白云石化机理.郭颖等（2023）通过对白云岩主量和微量元素、碳-氧同位素及稀土元素分析，发现南京地区不同时期内白云岩的成因有：渗透回流白云石化模式、埋藏白云石化模式、热液白云石化模式、埋藏白云石化和热液白云石化叠加作用模式.

学者们之所以如此重视白云岩砂化问题，是因为白云岩的砂化尤其是全-强砂化，会导致岩体质量急剧降低，对围岩硐室、隧道或边坡支护等工程设计与施工产生较大不利影响，导致施工进度缓慢、造价增加、安全受到威胁等一系列工程地质问题：黄润秋等（2016）研究发现，大光包滑坡的主滑面岩层为强烈砂化白云岩层，一方面滑带岩体的碎裂、细粒化从物理上降低了滑带的摩阻力；另一方面汶川超强地震引发砂化层突然产生超空隙压力而流态化，是导致山体突然滑坡的主要原因.王志杰等（2021）、Jiang et al.（2022，2023）和Zhou et al.（2023）对隧道围岩稳定性受白云岩砂化程度的影响及其破坏控制判据进行了定量数值分析.赵泽昌等（2023）发现中等砂化白云岩岩体呈块状破碎结构，爆破控制难度很大并对其建模计算，提出了适用于中等砂化白云岩的光面爆破设计参数的合理取值范围.Dong et al.（2023）、Jiang et al.（2022，2023）和Zhou et al.（2023）认为富水砂化白云岩地层在隧道施工中容易发生涌水、涌沙灾害，他们分别从渗流破坏类型与机理、渗流压力降低、渗流破坏治理等方面研究了该问题.

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带，发育一套巨厚层砂化白云岩层.其中，因全砂化导致的极破碎岩层，厚度变化极大，由此引发了一系列工程地质难题，例如：因全砂化白云岩的节理裂隙强发育、岩体结构极破碎，难以制作标准岩样通过室内试验获取岩体力学参数；对于桩基工程来说，该岩层的相关桩基参数如何取值尚缺乏经验.目前，对该岩层的成因及其工程特性研究非常有限，其物理力学指标的取值又必须以此作为基础才能更加准确并符合工程实际.为此，采用构造调查、薄片鉴定、XRD（X⁃ray diffraction）试验、XRF（X⁃ray fluorescence）试验、颗粒分析试验及饱和单轴抗压强度试验等多种方法，进行了深入研究与论证，为砂化白云岩的力学性质、桩基参数取值等研究打下基础，具有重要的工程实践意义.

1 研究区概况

武汉市6个碳酸盐岩条带相对独立且平行分布（图1），其中最北部的天兴洲条带（L1）东西向长约49.8 km，南北向宽处约5.27 km、窄处约0.35 km，覆盖面积约110 km²，是武汉市汉口北城市发展主要区域.

研究区地理上位于武汉市黄陂区，地质上处于天兴洲条带（L1）西北端，地貌上以剥蚀堆积垄岗为主，区域上为团鱼山-青山向斜核部.区内碳酸盐岩地层包括泥盆系黄家登组D₃h、石炭系大埔组和黄龙组并层C₂h+d、二叠系栖霞组P₂q、三叠系大冶组T₁d.因天兴洲碳酸盐岩条带岩溶发育异常（罗小杰，2013，2015），区内碳酸盐岩白云岩化、白云岩砂化现象强烈，形成一套巨厚层砂化白云岩地层.目前揭露该套地层的地点为：东起刘店立交，中部在盘龙城大道与巨龙大道交汇处南侧，西至龙港大道与航城西路交汇处.该走向与天兴洲条带长江北岸中段的石炭系走向基本相符（图2）.根据其岩性、岩心，结合区域基岩地质图，初步判断为石炭系大埔组和黄龙组并层C₂h+d，厚层状白云质角砾岩、细晶白云岩.

2 砂化白云岩分层及其岩心特征

分析整理了上述揭露点的大量勘探资料，将白云岩层划分为⑤₁全砂化（极破碎-破碎）、⑤₂弱砂化（较破碎-较完整）两个大层以及“⑤_1a强砂化、⑤_2a中砂化、⑤_2b微砂化”等3个透镜体层，见图3（限于篇幅，仅展示了⑤₁及⑤₂两个主层的照片）.

总体上，白云岩的砂化以全砂化和弱砂化为主，其余程度的砂化层不能单独成层，分别是⑤₁和⑤₂层的透镜体，各岩层岩心特征如下.

⑤₁层：全场分布，岩体极破碎，厚度变化极大、普遍揭露厚度10~20 m，最小揭露厚度0.7 m，最大揭露厚度可达37.9 m，岩心呈砂糖状细颗粒，无法取得原状样，取心率低，约45%，RQD指标几乎为0，该岩层有别于一般全-强风化岩，对其进行标贯或动探试验均不能正常击入，说明其在原位状态时岩体仍具有一定强度；⑤_1a层：呈透镜体分布于⑤₁层白云岩内，分布无规律，局部层厚可达1~2 m，岩体破碎，岩心呈短柱状或碎块状，取心率低，约60%，RQD指标为20%左右，强砂化现象应属砂化白云岩中典型的“砂包石”现象.

⑤₂层：全场分布，受砂化不均匀性影响，埋深相差极大；岩体较完整，岩心呈短柱或长柱状，取心率高，约80%，RQD指标为70%左右；⑤_2a层：呈透镜体分布于⑤₂层内，分布无规律，岩体较破碎，岩心呈短柱状，取心率稍高，约65%，RQD指标为50%左右；⑤_2b层：呈透镜体分布于⑤₂层内，分布无规律，岩体完整，岩心呈短柱或长柱状，取心率高，约85%，RQD指标为70%左右.

研究区内的全砂化白云岩并非呈条带状分布，而是大范围、巨厚层分布；全砂化白云岩形成的颗粒物只到粗砂级别，尚未形成白云岩粉乃至粉质黏土.总体上，同一场地内砂化程度有随着埋深的增大而逐渐减弱的趋势，但全-弱砂化的厚度变化极大，规律性不强，存在各向异性特征.无论是何种程度的砂化，不均匀性总是伴随着整个钻进过程，这给钻探施工、勘察分层及桩基选型等工作带来很大困难.

3 砂化白云岩成因

3.1　宏观构造动力作用

受地质构造演化与碳酸盐岩发育史影响，武汉市发育两套碳酸盐岩地层：第一套为古生代中晚期形成的石炭系大埔组和黄龙组并层C₂h+d及二叠系栖霞组P₁q灰岩；第二套为中生代早期形成的三叠系大冶组T₁d灰岩.

研究区所处的天兴洲条带西北端，区域内主要发育志留系S、泥盆系D、石炭系C、二叠系P、三叠系T、白垩系K、古近系K⁃E、新近系N，缺失侏罗系J，推测侏罗系整体发生抬升剥蚀（图2）.其中，志留系S、泥盆系D、石炭系C、二叠系P、三叠系T发生了褶皱变形，而白垩系K、古近系K⁃E、新近系N所受构造作用较小，大部分新近系N被抬升剥蚀，只留下少部分覆盖于古近系K⁃E之上.该区域构造上主要受3条NNE⁃SSW向张性断裂控制，切割的最新地层为白垩-古近系公安寨组K₂E₁g陆相红色碎屑岩，对先期构造起到明显改造作用，而未切割N₁g地层，因此推测为燕山运动造成.NNE⁃SSW向大断裂之间发育的NWW⁃SEE向构造，被该断裂所切割，因此推测该构造较该断裂更早，应为印支运动形成.NWW⁃SEE向构造主要受挤压应力作用造成，其向斜核部为三叠系T，故推测为三叠系T之后形成，并伴生发育同走向压、压扭性断裂.

区域内褶皱主要为团鱼山-青山复式向斜，呈NWW⁃SEE向展布，长约40 km，宽3.0~3.5 km，向斜西端于睡虎山一带扬起，其核部为三叠系大冶组T₁d，局部被白垩-第三系K⁃E“红层”覆盖.北翼发育两条规模较大的北西走向断层，南翼由次一级岱家山背斜、戴家湖背斜、井冈山向斜和楠木桥向斜构成.区域西北部发育一条NE走向小型正断层，倾向SE，倾角84°，说明该处系受较大张拉应力而形成，并受限于下部的NWW走向断裂，因此推测该小型正断层为NNE向大断裂同期形成的伴生断裂.

襄樊-广济断裂长期活动历史，对武汉市构造尤其是碳酸盐岩的平面分布产生了深远影响.中生代中早期（三叠纪末）的印支运动，产生强烈的NNE-SSW向挤压应力作用，导致武汉地区形成了一系列NWW⁃SEE近平行走向的线状褶皱，从而形成了包括天兴洲条带在内的6条碳酸盐岩条带相对独立且近平行分布的总体格局，同时为白云岩的产生提供了母岩基础；中生代中晚期（白垩纪）的燕山运动，又使挤压应力作用向张拉应力作用转变，该转变形成的张性断裂（裂隙）为同时期大量喷发的构造热液提供了流动通道，使得紧邻襄樊-广济断裂的天兴洲条带碳酸盐岩较远离该断裂的其他条带碳酸盐岩发生了更为强烈的构造热液白云岩化、硅化作用（ Davies and Smith，2006；李荣等，2008；刘宏等，2016）.

对⑤₂层所做的12组薄片鉴定试验，佐证了上述观点，显微镜下照片见表1（仅展示了部分有代表性的照片），分析表明：（1）显微镜下定名多为“浅变质细晶白云岩角砾岩”，少有“碎裂状微、细晶白云岩”，符合石炭系大埔组和黄龙组并层C₂h+d白云岩的特征.（2）岩石的白云岩化很彻底，白云石含量在75%~95%，普遍存在动力变质、局部有变质重结晶现象，大部分岩心呈角砾状结构，是强烈岩石动力变质作用的反映.（3）在构造应力作用下，白云岩发生碎裂，形成角砾碎屑和碎粒、碎粉，发育规模不等的裂隙和孔洞并被岩石碎粒、碎粉填充，少部分被碳酸盐矿物或硅质矿物集合体充填，对岩石起胶结作用.

3.2　细观矿物结构组成（XRD试验）

对5类不同砂化程度的白云岩分别取样进行了5组矿物成分分析试验（XRD），各砂化程度时白云岩矿物成分含量统计结果见表2，图4（限于篇幅，仅展示了⑤₁及⑤₂两个大层的试验图片）.

各砂化程度下，研究区内白云岩的矿物组成主要有以下特征：（1）白云岩矿物成分以白云石（CaMg（CO₃）₂）、铁白云石（Ca（Fe，Mg，Mn）（CO₃）₂）、石英石（SiO₂）及黏土矿物（高岭土（A1₂Si₂O₅（OH）₄））为主，在74.38%~96.41%；很明显，砂化程度越强烈，白云石及铁白云石的含量越低，而石英石及黏土矿物的含量则越高（图5）.（2）白云岩矿物成分不纯、多样，且存在中空孔隙和裂隙，这一方面为岩溶裂隙水提供了更好的流动通道，另一方面又使得白云岩的多样化矿物之间呈分散形态，从而导致差异溶蚀现象，此时方解石作为主要胶结物，结构链接相对较弱，首先被溶蚀并被岩石矿物碎粒、碎粉取代；同时，白云岩主要沿晶间孔或晶体结合面溶蚀分解及切性割崩解，在溶蚀过程中常伴有晶体的脱落，从而形成类似砂糖状白云岩砂颗粒乃至白云岩粉.

3.3　微观化学成分变迁（XRF试验）

对上述5个不同砂化程度的白云岩，开展了XRF试验，结果见表3.分析可知：（1）CaO、MgO是白云岩的主要化学成分，其平均含量之和为39.34%.根据化学含量换算，白云石含量平均值应大于70.00%，纯度较高，这与显微镜下判别及XRD试验的测试结果基本吻合；CaO、MgO的含量比值在2.65~4.61，较不稳定，说明白云岩历史沉降环境较不稳定，受到气候及构造作用较大，这与薄片鉴定结果基本一致；注意到⑤₁层的CaO、MgO的含量之和仅14.92，而⑤_2b层的CaO、MgO的含量之和为50.69%，可见随着砂化程度的增强，Ca、Mg逐渐溶蚀淋失，CaO、MgO的含量则逐渐减少（图6）.（2）SiO₂也是白云岩中的重要化学成分，属稳定难溶矿物，含量在8.54%~43.96%，平均含量为18.94%，甚至高于MgO的平均含量，这充分说明研究区内白云岩砂化程度高且不均匀的特征；注意到SiO₂的含量明显随着砂化作用的加强而升高，总体上呈幂函数形式增长（图6）；发展到全砂化程度后，白云岩中SiO₂富集明显，甚至超过了CaO、MgO含量之和；SiO₂这一变化过程与CaO、MgO的含量变化过程体现了很好的负相关性；初期CaO、MgO溶蚀淋失量相对较小，SiO₂主要以微粒石英形式残留，随着砂化作用的加剧，SiO₂含量能增加到原来的几倍乃至十几倍.（3）Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、K₂O是黏土矿物的主要化学成分，它们共同反映了岩石中的泥质含量，这4种化学成分各自含量均不高，且以Al₂O₃为主；在未砂化-强砂化阶段，4种化学成分之和仅在0.46%~2.08%，但进入全砂化阶段后其迅速增大至15.11%.因此，可以推断白云岩砂化是长期、渐进过程，而泥化则是其全砂化阶段后的产物.

3.4　砂化白云岩成因机理

综上所述，研究区内砂化白云岩及其不均性特征的成因机理，可以从“宏观构造动力作用”“细观矿物结构组成”“微观化学成分变迁”3个层面予以概括（图7）.

（1）在宏观层面，研究区位于3条断裂之间，且地层出现倒转现象，说明该区域在印支期所受的挤压应力及燕山期所受的张拉应力均非常强烈.这是研究区域内碳酸盐白云岩化及白云岩砂化程度强烈的宏观动力因素.燕山运动的张拉应力作用导致的张性断裂（裂隙）为该时期大量喷发的构造热液提供了流动通道，致使天兴洲条带碳酸盐白云岩化甚至砂化（硅化）异常强烈；同时，构造营力的作用，促使白云岩发生动力变质形成角砾碎屑和碎粒、碎粉，对岩石起胶结作用，并发育规模不等的裂隙和孔洞；一方面裂隙和孔洞的出现，增强了岩溶裂隙水的流动性，加快了碳酸盐岩的溶蚀淋失速度；另一方面胶结作用及硅化作用通常为破坏性成岩作用，降低了岩石物性（李峰峰等，2023）.以上两个方面的共同作用，又进一步促进了天兴洲条带白云岩的砂化（硅化）.

（2）在细观层面，白云岩矿物成分不纯、多样，且孔隙率高，这一方面为岩溶裂隙水提供了更好的流动通道，另一方面又使得白云岩的多样化矿物之间呈分散形态，从而导致差异溶蚀现象，此时方解石作为主要胶结物，结构连接相对较弱，首先被溶蚀并被岩石矿物碎粒、碎粉取代；同时，白云岩主要沿晶间孔或晶体结合面溶蚀分解及切性割崩解，在溶蚀过程中常伴有晶体的脱落，从而形成类似砂糖状白云岩砂颗粒乃至白云岩粉.

（3）在微观层面，白云岩砂化基本经历了构造热液作用、溶蚀、淋滤、沉淀、交代等过程，原岩中原生矿物（白云石、铁白云石等）发生物理化学变化，释放出的Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Si⁴⁺、A1³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺等离子进入溶液被带走后，沉淀或交代形成新的次生矿物（石英石、高岭土等）.其具体表现为：易溶物质CaO、MgO溶蚀淋失，难溶物质SiO₂的富集，至后期进入全砂化阶段后，SiO₂主要通过沉淀、交代等作用与A1、Fe等元素结合形成次生黏土矿物，因此Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、K₂O等黏土矿物元素，在全砂化阶段后富集作用明显.上述过程的主序化学方程式为：CaMg（CO₃）₂+H₂O+CO₂+H₄SiO₄→SiO₂+H₂O+Ca²⁺+Mg²⁺+3HCO^-₃+OH^-.

4 工程特性研究

4.1　饱和单轴抗压试验分析

本次研究，除⑤₁层无法取样外，对“强-未”砂化程度的白云岩均取得岩样并分别实施了6组、15组、30组、15组、6组饱和单轴抗压试验（图8）.

在统计时，将饱和单轴抗压强度标准值f_rk>100 MPa的白云岩视为未砂化状态，其试验数据离散性很大，因此，在后续砂化白云岩单轴抗压强度指标分析时，没有将未砂化白云岩考虑在内，以确保数据的客观性和准确性.分析可知：（1）受砂化程度不均匀的影响，各岩层在宏观上表现为f_rk 的区别，力学性质分明.（2）⑤_1a、⑤_2a、⑤_2b层均属透镜体夹层，若将其f_rk 参与⑤₁或⑤₂层的参数统计并作为设计参数的取值依据，将造成⑤₁层或⑤₂层的参数取值产生偏差：若将⑤_1a及⑤_2b层的f_rk 分别与⑤₁或⑤₂层共同统计，将造成参数取值偏大，危害工程安全；若将⑤_2a层的f_rk 与⑤₂层共同统计，则会造成参数取值偏小，增加工程造价.（3）砂化阶段“微-弱、微-中、微-强”的白云岩饱和抗压强度降幅分别可达38.6%、68.1%、90.0%，可见，砂化对白云岩力学性质损伤很大.

岩体质量分级是地质工程设计与施工的重要依据，以岩体完整程度、岩体结构特征、结构面状态的统计分析为基础.对白云岩砂化程度进行宏观分级，可以定性分析岩溶砂化对岩体质量的影响（董家兴等，2023，2024）.综上，对白云岩的砂化程度分级引入f_rk 作为量化依据，并与岩石类别、岩体完整程度等相关指标实现对应关系，建立了具备岩石力学参数的“白云岩砂化程度划分表”（表4）.又进一步发现，随着砂化程度增大，岩石强度呈幂函数降低（图9）：

f_{rk}=\mathrm{1.3}·I^{\mathrm{2.5}},（1）

式（1）中：I =1、2、3、4、5，表示由强到弱的砂化等级，R²=0.999，以此拟合计算得到⑤₁全砂化白云岩的f_rk =1.3 MPa.随后开展的Hoek⁃Brown强度准则理论计算及桩基原位测试工作，证明了该拟合值的准确性.

4.2　白云岩砂颗粒分析

从岩心上看，受完全砂化作用，⑤₁层岩心呈砂糖状颗粒，可视为白云岩砂；从力学性质上看，⑤₁层饱和单轴抗压强度可达1.3 MPa，具有一定的地基承载力.粗粒土的工程性质，如透水性、压缩性和强度等，很大程度上取决于土的粒径级配（李广信等，2013）.为进一步摸清该层作为基础持力层的可行性，对⑤₁层的白云岩砂进行了颗粒分析试验.分析可知：全砂化状态的白云岩砂，其粒径大于0.5 mm的颗粒含量平均值为71.9%，依据相关规范标准，应定名为粗砂（表5）.4个扰动样的均匀系数C_u均大于5，平均值为16.6；曲率系数C_c 仅一个大于3，平均值为2.82，介于1~3.因此，全砂化状态的白云岩砂，级配不均匀（C_u >5）且级配曲线连续（1<C_c <3），说明级配良好（表6），因此该层作为基础持力层的可行性是存在的.

5 结论与展望

5.1　结论

针对研究区砂化白云岩成因以及砂化程度对白云岩工程特性的影响问题，采用构造调查、薄片鉴定、XRD试验、XRF试验、颗粒分析试验及饱和单轴抗压强度试验等多种方法，进行了深入研究与论证，结论如下.

（1）研究区内砂化白云岩层可划分为⑤₁全砂化（极破碎-破碎）及⑤₂弱砂化（较破碎-较完整）两个大层，⑤_1a强砂化、⑤_2a中砂化、⑤_2b微砂化分别是其透镜体；⑤₁、⑤₂层厚度变化极大，规律不强，存在各向异性特征.

（2）研究区内砂化白云岩及其不均性特征的成因机理，可以从“宏观构造动力作用”“细观矿物结构组成”“微观化学成分变迁”3个层面予以概括.

（3）在宏观层面，燕山运动的张拉应力作用导致的张性断裂（裂隙）为该时期大量喷发的构造热液提供了流动通道，致使天兴洲条带碳酸盐岩的白云岩化乃至砂化（硅化）异常强烈；同时，构造营力的作用，促使白云岩发生动力变质，加速了岩层的构造发育.在细观层面，白云岩的溶蚀过程，使方解石首先被溶蚀并被岩石矿物碎粒、碎粉取代；同时，白云岩主要沿晶间孔或晶体结合面溶蚀分解及切性割崩解，形成类似砂糖状白云岩砂颗粒乃至白云岩粉.在微观层面，白云岩砂化基本经历了构造热液作用、溶蚀、淋滤、沉淀、交代等过程，原岩中原生矿物发生物理化学变化，形成新的次生矿物.

（4）依据大样本岩石饱和单轴抗压强度试验数据统计结果，砂化阶段“微-弱、微-中、微-强”的白云岩饱和单轴抗压强度降幅分别达38.6%、68.1%、90.0%，且呈幂函数降低的关系；由此，拟合得到⑤₁层全砂化极破碎白云岩的f_rk =1.3 MPa，解决了全砂化白云岩难以制作标准岩样进行室内试验获取岩体力学参数的工程难题；随后开展的Hoek-Brown强度准则理论计算及桩基原位测试工作，证明了该拟合值的准确性.

（5）白云岩砂化程度由弱到强，在岩石结构上的演化特征为“完整-较完整-较破碎-破碎-极破碎”，在岩石强度上的演化特征为“坚硬-较硬-较软-软-极软”，在物质构成上的演化特征则为“白云岩-白云岩砂-白云岩粉-粉质黏土”.其具体的量化表现或影响就是岩石单轴抗压强度等力学指标的衰减.据此，对白云岩的砂化程度分级引入量化依据，并与岩石类别、岩体完整程度等相关指标实现了对应关系，从而建立了具备岩石力学参数定量关系的“白云岩砂化程度分级表”.

5.2　展望

（1）本文只针对白云岩砂化对岩石单轴抗压强度的影响进行了相关研究，后期工作中将运用Hoek-Brown强度准则开展白云岩砂化对抗剪强度、桩基参数等影响研究.

（2）值得注意的是：⑤₁层的白云岩砂，级配良好.考虑到原位状态下的⑤₁全砂化白云岩，其岩体仍然具有一定强度，该层作为基础持力层的可行性是存在的.由于⑤₁全砂化白云岩厚度变化极大，若拟建大荷载建筑物采用桩基础，桩端非要穿透该层，无疑会造成桩长过长从而导致施工难度及成本大大增加；若要选取该层作为持力层，则桩基承载力在如此深厚极破碎岩石地层中的发挥机理、桩基参数的取值、最优桩型的控制等一系列问题都需要进一步论证，笔者将在今后工作中开展相关研究.

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基金资助

国家自然科学基金重点国际(地区)合作与交流项目(42020104006)