张宝强1,2,3,4,5，孙婴婴1,2,3,4,5
1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710021；3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710021；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710021；5.自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710021
摘要：泥岩是一种沉积岩，其含有大量的粘土矿物，包括石英、长石、高岭石等其它黏土矿物。泥岩由于黏土矿物的存在，其自身状态和理化性质易受到水、压力、温度等环境因素的影响，泥岩遇水极易发生膨胀，失水后收缩，容易产生崩解现象，对工程等众多工程领域造成破坏及经济损失。因此，本文以泥岩为研究对象，对泥岩的形成历史、物质组成、化学成分、对工程的危害以及其他方面的应用展开了研究，并进一步分析了泥岩修复重金属污染土壤的可行性，为重金属污染物的修复治理提供可靠的修复材料。
关键词：泥岩，粘土矿物，特性，重金属
0.引言
泥岩以泥质为主，含沙量不等，且局部含有砾石，有较强的的粘塑性。泥岩是一种软岩，泥岩阻碍了矿业工程、岩土工程等工程领域的发展。由于泥岩是含有多种粘土矿物的复合型矿物材料，其自身的理化性质易受水、温度、压力等的影响。当外部环境中的湿度较大时，泥岩表现出较强的吸水性，导致岩体发生软化崩解，从而引发工程的地基失稳等，给工程构筑物造成极大的危害[1]。泥岩的矿物种类含量较多，主要以粘土矿物为主，次生矿物为石英和长石等轻矿物。粘土矿物是土壤的组成成分，土壤本身对重金属具有自净能力，土壤对重金属的自净能力是通过自身的组分与结构共同作用的结果。粘土矿物一般具有较大的比表面积且带有大量负电荷，因此对重金属有着较好的吸附性。
1.泥岩的成因分析
泥岩是煤系地层的主要构成岩石，占总的沉积岩的50%左右。泥岩以泥质为主，由许多细小的颗粒组成，粘塑性较强，含沙量不等[2,3]。该颗粒中含有丰富的粘土类矿物等，泥岩因形成的时间、地点、环境有所差异，在不同的煤系地层中，泥岩的粘土矿物成分也有一定的差异，组成泥岩的主要粘土矿物有蒙脱石、伊利石、高岭石等，不同粘土矿物在泥岩中所占有的比例不同。泥岩中粘土矿物的形成主要有三个原因：（1）不同区域泥岩风化后的残留物经过长时间的运移聚集到某个区域，在一定的条件下长石、云母等矿物经长时间的风化及淋滤作用形成了高岭石；（2）在同一区域，泥岩经过长期的风化作用、物理化学作用后，形成残留物，经古气候的影响，最终形成黏土岩。（3）在中性或者弱碱性环境下，火山灰或凝灰岩发生一系列的物理化学变化，与水作用后形成蒙脱石，而蒙脱石受海水影响后在一定条件下进一步钙化，结晶形成方解石。在碱性条件下，蒙脱石经过一系列的物理化学反应形成伊利石、绿泥石、高岭石等[4]。
2.泥岩的物质组成
泥岩的物质组成决定了其自身的物理性质及其力学指标，我国不不同的地区、不同的成岩时期泥岩的物质组成有所差异，其粘土矿物含量跨度较大。泥岩的物质组成较为复杂，主要以粘土矿物和碎屑矿物为主，其中粘土矿物的含量在40%-90%[5]， 主要由粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石等）组成，其次为碎屑矿物（石英、云母、长石等）、次生矿物以及铁锰质氧化物和有机质。受成岩的不同时期、地点、环境的影响，SiO2、Al2O3是泥岩的主要化学成分，其总的含量约占75%左右，其中SiO2的含量最多，在48%-79%，Al2O3的含量次之，在10%-30%[4]。泥岩所含粘土矿物遇水极易发生膨胀、软化，使其周围的岩石在水文地质条件的影响下岩石强度出现大幅度下降，造成围岩失稳，对工程有着巨大的潜在危害。
3.粘土矿物修复重金属的应用
娄燕宏和徐超通过对粘土矿物修复重金属污染土壤的的研究，证实了粘土矿物对重金属具有较强的修复效果和应用前景[6-8]。粘土矿物的储量丰富、机械稳定性强、化学性质相对稳定、储量极为丰富、并具有较大的比表面积，使用后不会对环境产生二次污染[9]，因此得到了土壤重金属修复治理的广泛使用。粘土矿物修复是通过添加不同类型的矿物材料，对土壤的物理化学性质做出了一定的调节和改变，使土壤中的重金属与粘土矿物发生一系列的氧化还原、沉淀、吸附、螯合、抑制或拮抗等反应，从而降低重金属在土壤环境中的生物可给性和有效性，降低重金属在动植物体内的毒性。粘土矿物修复法因高效、清洁、投入低、操作方便等优点，对修复污染面积较大，污染较严重区域的土壤有着良好的修复效果。
4.泥岩修复重金属污染土壤的可行性分析
泥岩作为一种常见的沉积型矿物岩石，质地较为松软，重结晶也不明显，在中国各地都有分布、储量极为丰富。粘土矿物的存在会对泥岩的物理性质产生决定性作用，能够固定土壤中的重金的离子，对重金的修复效果较为明显。泥岩中所含粘土矿物带有的负电荷会吸附土壤中带正电的重金属离子，其巨大的比表面积增加重金属离子与粘土矿物的接触面，促进了对重金属离子的吸附。因此，将泥岩作为重金属污染土壤的修复材料研究，可为重金属污染土壤的修复理论和技术开发开辟一条新的路径。
泥岩中所含粘土矿物及次生矿物等具备了修复重金属污染土壤的基本特性。因此，将泥岩作为一种天然矿物材料，其丰富的多元化粘土矿物使得其具备成为优质重金属污染土壤修复材料的基本条件，其不仅可以改善当地土壤的质量，还原土壤原生态本质，还会提高土壤本身对重金属污染物的吸持和净化能力，有效的降低了农作物对土壤中重金属的吸收，极大的保障了农产品的安全性，并且泥岩的储量大、成本低，未来将会成为未来绿色材料的发展方向和趋势。
5.结论
泥岩作为一种天然矿物材料，其黏土矿物含量较大，由于黏土矿物的存在，对泥岩的物理化学性质起了决定性作用，外界环境发生变化后，泥岩吸水膨胀，失水收缩容易对工程造成损害。然而，粘土矿物蒙脱石、铁锰氧化物等可作为吸附土壤重金属的材料，能够有效降低土壤中重金属的迁移转化以及对生物的可给性，对土壤重金属的修复具有明显的效果，因此，泥岩在重金属污染物处理方面表现出了一定的可行性。
参考文献：
[1] 陈从新, 卢海峰, 袁从华, 等. 红层软岩变形特性试验研究.岩石力学与工程学报[J], 2010, 29(02): 261-270.
[2] 关欢, 任勇, 孙春卫, 等. 青藏高原东北部西宁地区泥岩微结构特征分析研究. 高原科学研究[J], 2019, 3(04): 47-57.
[3] 张梅英, 赵宪. 泥岩的微结构特征及其工程性质. 电子显微学报[J], 1988(03): 245.
[4] 张鹏. 泥岩物性与改性机理研究[D]. 太原理工大学, 2014.
[5] 孟召平, 彭苏萍. 煤系泥岩组分特征及其对岩石力学性质的影响. 煤田地质与勘探[J], 2004(02): 14-16.
[6] 娄燕宏, 诸葛玉平, 顾继光, 等. 粘土矿物修复土壤重金属污染的研究进展.山东农业科学[J], 2008(02): 68-72.
[7] 徐超, 陈炳睿, 吕高明, 等. 硅酸盐和磷酸盐矿物对土壤重金属化学固定的研究进展 . 环境科学与管理[J], 2012, 37(05): 164-168.
[8] 刘云, 董元华, 杭小帅, 等. 环境矿物材料在土壤环境修复中的应用研究进展 . 土壤学报[J], 2011, 48(03): 629-638.
[9] 张旭, 章国权, 杨炳飞. 天然多孔矿物材料在土壤改良和土壤环境修复中的应用及研究进展 . 中国土壤与肥料[J], 2020(04): 223-230.
作者简介：张宝强，1990年5月生，男，汉族，陕西咸阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：土地工程、地质工程。
基金项目：陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY2020-18）、（DJNY2021-18）。