基于物质-结构-环境联动影响的赤水丹霞地貌区砂岩显色特征

陈帅; 杨根兰; 黄富全; 翟茂帅; 杨涛

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504557

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5648-5657 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504557

建筑科学

基于物质-结构-环境联动影响的赤水丹霞地貌区砂岩显色特征

陈帅 ¹ ,
杨根兰 ¹^,²^,^* ,
黄富全 ¹ ,
翟茂帅 ¹ ,
杨涛 ¹

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Coloration Characteristics of Sandstone in Chishui Danxia Landform Area Based on Material-structure-environment Interplay

CHEN Shuai ¹ ,
YANG Gen-lan ¹^,²^,^* ,
HUANG Fu-quan ¹ ,
ZHAI Mao-shuai ¹ ,
YANG Tao ¹

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摘要

赤水丹霞地貌区因其红层砂岩的瑰丽色彩而具有独特的景观价值,前人在其色彩的研究中已经发现,红层砂岩的颜色会随各种条件的变化而表现出多样性。但对砂岩颜色影响因素的量化问题仍存在缺漏。为了探讨赤水丹霞地貌区砂岩在各影响因素下色彩的变化规律,在色彩值的量化上采用国际照明委员会(international commission on illumination,CIE)提出的Lab色彩空间,精准测定样品的色彩值。以此为标准,基于多维控制采样策略(平面拓展-垂向分层-单因素隔离),通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)矿物分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)微观观测及分光光度法铁价态检测,物质成分分析结果说明,赤铁矿与黏土矿物分别通过Fe³⁺的显色效应和吸附作用主导砂岩红色基调,Fe元素价态随深度变化而进一步改变砂岩显色特征;微观分析显示,强风化带砂岩结构松散、颗粒破碎,裂隙率较微风化带提高22.19%,Lab色彩空间的参数b提升5.91,契合砂岩表面颜色更为鲜艳的宏观特性;控制含水率或温度不变,按梯度进行单一变量实验,发现温度每升高10 ℃,b平均降低0.38,含水率通过影响Lab色彩空间的参数L来改变砂岩颜色。研究揭示了物质成分、微观结构与环境变量对红层砂岩色彩的调控规律,为丹霞地貌区生态修复材料的色彩适配提供科学依据。

Abstract

The Chishui Danxia landform in China is characterized by bright red-bed sandstone, yet the quantitative factors controlling its color diversity remain insufficiently understood. The study was aimed to investigate the mechanisms of sandstone color variation under environmental influences to support color matching in ecological restoration. A multidimensional sampling strategy, including planar-vertical isolation and single-factor control, was applied. Color parameters were measured using the CIE-Lab system. Mineral compositions were analyzed by X-ray diffraction(XRD) and scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer(SEM-EDS), and iron speciation was determined spectrophotometrically. The results of material composition analysis indicate that hematite and clay minerals dominate the red tone of sandstone through the coloring effect and adsorption of Fe³⁺, respectively. The valence state of Fe element further changes the color characteristics of sandstone with depth. Microstructural analysis shows that sandstone in strongly weathered zones exhibits a looser fabric and more fractured grains. The parameter b of Lab color space has increased by 5.91 compared with weakly weathered zones, corresponding to a brighter surface appearance. A temperature increase of 10 ℃ decreases the b by 0.38, while moisture affects brightness through variations in the parameter L of Lab color space. Controlled experiments confirm these environmental effects. This study establishes a quantitative framework linking mineral composition, microstructural evolution, and environmental factors to color expression, providing a scientific basis for color-compatible restoration materials in Danxia landscapes.

Graphical abstract

关键词

红层 / 铁离子 / 色彩 / 风化作用 / 矿物成分

Key words

red beds / iron ions / coloration / weathering / mineral composition

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陈帅, 杨根兰, 黄富全, 翟茂帅, 杨涛. 基于物质-结构-环境联动影响的赤水丹霞地貌区砂岩显色特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5648-5657 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504557

CHEN Shuai, YANG Gen-lan, HUANG Fu-quan, ZHAI Mao-shuai, YANG Tao. Coloration Characteristics of Sandstone in Chishui Danxia Landform Area Based on Material-structure-environment Interplay[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5648-5657 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504557

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红层分布广泛,是西南地区常见的岩土体^[1]。作为红层地貌的特殊表现形式,丹霞地貌具有独特的地质景观价值。其学术研究可追溯至北魏地理学家郦道元的科学考察记录,近代研究则始于德国地质学家李希霍芬(Ferdinand von Richthofen)1870年在《中国》专著中对粤北丹霞山的地质描述,该学者首次将此类岩层命名为“Deck-Sandstein”^[2]。1927年,冯景兰与朱翙声^[3]系统提出“丹霞层”概念,标志着该地貌类型研究的范式转变。丹霞地貌凭借其独特的岩相组合与形态特征,不仅形成极具美学价值的自然景观,更成为区域经济发展的地质载体。以贵州北部赤水地区为例,该典型丹霞地貌区通过科学开发已构建完整的旅游产业链。然而,在景区基础设施建设过程中,一贯使用的传统混凝土喷锚支护工艺常导致人工构筑物与原生岩体产生显著视觉冲突,这凸显了对丹霞地貌区建筑材料的工程地质适配性研究的重要性。因此,如何在满足工程建设需求的同时保护丹霞地貌的自然景观,成为了一个亟待解决的课题。

为解决这一问题,团队近年来借鉴彩色建筑材料的研究^[4-5],对适用于丹霞景区边坡协调性治理的混凝土、砂浆材料展开研究^[6-7]。研究过程中发现,赤水丹霞区不同地层岩体露头存在显著色差,且相同地层岩体在不同位置也呈现出不同的色彩。进一步研究发现,岩体表观色彩受环境因素影响显著,在温、湿度变化作用下,单个岩体表面亦出现可辨识的色度差异。对红层鲜艳色彩来源的研究这一课题早被关注,已有诸多成果^[8-13],对红层砂岩的致色机理的研究已形成系统认知体系:研究表明,红层砂岩的矿物成分主要为方解石、石英、长石、绿泥石、赤铁矿、钛铁矿,其显著的红色特征被广泛证实主要源于含铁矿物^[14]。罗曦等^[15]及Walker^[16-17]通过成分分析与区域对比指出非晶态铁氧化物是关键显色物;王大娟等^[18]的实验观察到铁离子溶解伴随褪色现象,直接支持了铁的核心作用;谭聪等^[19]与蔡元峰等^[20]进一步明确了赤铁矿(Fe₂O₃)是主要致色矿物,其富集于岩石表层并通过染色机制致色。此外,研究表明,环境条件如含水率和温度的变化也会对岩石性质造成影响^[21-28]。然而,现有研究虽已对红层色彩特征与物质组成、风化作用及环境因子间的关联性进行了初步揭示,但在揭示上述要素驱动红层颜色动态变化规律的研究仍显不足,尤其缺乏基于定量分析的实证数据对多要素作用下的色彩机制进行系统关联。

基于此,现运用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)矿物分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)及邻菲罗啉分光光度法等实验技术,对不同取样条件下红层砂岩的矿物组分、元素分布、风化作用强度以及铁元素进行表征,进而探讨它们与砂岩显色特征之间的联系。此外,基于单一变量原则,还研究了温度变化以及含水率差异对同一砂岩显色特征的影响,揭示上述因素在砂岩颜色演变中的关键作用,旨在为后续的景观协调治理的机制砂、混凝土研究提供科学依据。

1 实验材料与实验方法

1.1 色彩指标

采用精密色差计测定砂岩颜色参数,基于Lab色彩空间分析明度(L)与色度(a、b)变化。其中,L代表明度,表示颜色深浅,取值范围为0~100,L越大颜色越亮;a代表红绿色度,a>0表示红色程度,a<0表示绿色程度;b代表黄蓝色度,b>0表示黄色程度,b<0表示蓝色程度。该模型能独立表征亮度与色彩信息,较传统方法更适于量化岩石颜色差异。

1.2 实验材料

基于系统采样原则开展红层砂岩色彩成因分析,具体实施步骤如下。

1.2.1 空间差异性原则

赤水市丹霞景观及某景点坡面修复材料如图1所示。在赤水地区14个典型砂岩露头点(图2)系统采集新鲜基岩样品,各采样点的岩体颜色特征及对应色度测量数据如表1所示。通过空间对比分析,揭示不同地理位置砂岩颜色的显色特征。

1.2.2 风化程度差异原则

选择颜色最典型的红色砂岩剖面(图2中9号取样点),自坡表顺岩层产状连续取样164 cm(取样过程示意见图3)。将岩芯按5~35 cm间隔切割为14段样品(图4),重点研究从表层风化岩到深层新鲜基岩的颜色变化趋势。

1.2.3 环境变量控制原则

选取采石场均质红色砂岩基岩(图2中9号取样点位置),加工制备7 cm×7 cm×7 cm标准立方体试件(图5),分别控制含水率与温度作为单一变量进行实验,并观察其色彩差异性。

1.3 实验方法

1.3.1 XRD矿物成分分析

为了探究矿物成分对红层砂岩颜色数据的影响,对不同取样条件下取得的砂岩矿物成分进行测量,分析其与颜色数据的关系。使用日本理学SmartLab X射线衍射仪,在常规铜靶广角测试条件下以2(°)/min的扫描速度进行矿物组成的测定。

1.3.2 电镜扫描与能谱分析

为了研究红层砂岩在不同风化程度下微观结构与颜色数据的关系,采用COXEM-EM-30扫描电镜观察不同取样深度下砂岩的风化特征及其与砂岩颜色表征之间的关系,束斑直径为14 nm,工作距离为14.4 mm,工作电压为20 kV。此外,用能谱分析方法测量各实验组砂岩Fe原子含量。

1.3.3 邻菲罗啉分光光度法进行铁离子分析

为了探究Fe离子对砂岩颜色的影响,利用Fe²⁺与邻菲罗啉形成有色络合物的特点,在红层砂岩样品中滴加适量显色剂后用氢氟酸-稀硫酸溶解,将溶液分别经过盐酸羟胺还原、邻菲罗啉显色、乙酸-乙酸铵缓冲液调节pH等步骤后,在分光光度计下测定微Fe²⁺和全铁含量再反推Fe³⁺含量,得到砂岩Fe离子含量与显色规律的关系。使用仪器与试剂包括:V-5600可见分光光度计、10 mm玻璃比色皿、恒温水浴锅、Fe²⁺标准储备溶液(100 mg/L)、25 mg/L Fe²⁺标准溶液、40% H₂SO₄、10%邻菲罗啉溶液、10%盐酸羟胺、40%乙酸-乙酸铵缓冲液、饱和硼酸溶液(50 g/L)、碳酸氢铵(NH₄HCO₃)、氢氟酸。

1.3.4 单一变量法进行含水率与温度分析

对于砂岩不同温度下的显色规律的研究,温度控制使用烘箱以及冰柜,为了符合研究区气候条件,设置温度梯度为0~60 ℃,每隔10 ℃测量一组数据;通过浸水使砂岩达到自然饱和后,拿出在室内自然风干。并测量在不同时间段对应含水率时,砂岩颜色的变化规律。使用仪器为:上海跃进HGZF-101-2电热恒温鼓风干燥箱、奥克斯1388冰柜。

2 物质成分与色彩值的关系

2.1 矿物成分

2.1.1 取自不同位置的砂岩

根据XRD进行的矿物成分测试结果(表2,图6)可知,对取自不同位置的砂岩,黏土矿物以及赤铁矿含量变化与砂岩a、b呈正相关趋势,发现石英、钾长石以及斜长石等矿物成分随砂岩a、b的减小总体而言处于动态平衡。这表明黏土矿物和赤铁矿对砂岩颜色的影响更大,而其他矿物与砂岩颜色的关系并不密切。

2.1.2 取自不同深度的砂岩

基于钻孔岩芯的XRD测试结果进行的矿物成分分析(表3,图7),发现随深度增加,石英、钾长石、赤铁矿以及黏土矿物的相对含量逐渐减少,而斜长石、方解石等矿物的相对含量逐渐增大,说明石英、钾长石等矿物具有较强的抗风化能力。同时,赤铁矿与粘矿物随深度增加的变化趋势与a、b一致,与在不同空间位置取样的砂岩表现规律相同。

实验数据表明,黏土矿物与赤铁矿是控制砂岩颜色的关键因素,赤铁矿作为Fe离子的主要赋存矿物,直接决定砂岩的红色色调;黏土矿物主要是由钠长石与钾长石在水和二氧化碳相互作用下生成的高岭石与蒙脱石^[29][式(1)~式(3)],这类黏土矿物具有带电性、膨胀性、吸附性,能够有效固定风化过程中残留的赤铁矿颗粒,从而维持砂岩的鲜艳色泽。

(1)$\mathrm{CaCO}_{3}+\mathrm{CO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \mathrm{Ca}^{2+}+2 \mathrm{HCO}_{3}^{-}$

(2)$\begin{array}{l} 2 \mathrm{Na}\left[\mathrm{AlSi}_{3} \mathrm{O}_{8}\right](\text {钠长石})+2 \mathrm{CO}_{2}+11 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \\ \mathrm{Al}_{2}\left[\mathrm{Si}_{2} \mathrm{O}_{5}\right](\mathrm{OH})_{4}(\text {高岭石})+2 \mathrm{HCO}_{3}^{-}+ \\ 2 \mathrm{Na}^{+}+4 \mathrm{H}_{4} \mathrm{SiO}_{4} \end{array}$

(3)$\begin{array}{c} 2 \mathrm{~K}\left[\mathrm{AlSi}_{3} \mathrm{O}_{8}\right](\text {钾长石})+2 \mathrm{CO}_{2}+6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \longrightarrow \\ \left(\mathrm{Al}_{2}\right)\left[\mathrm{Si}_{4} \mathrm{O}_{10}\right](\mathrm{OH})_{2}(\text {蒙脱石})+ \\ 2 \mathrm{HCO}_{3}^{-}+2 \mathrm{~K}^{+}+2 \mathrm{H}_{4} \mathrm{SiO}_{4} \end{array}$

2.2 铁元素与砂岩色彩值的关系

2.2.1 铁元素总量

分别对取自不同地点和不同取样深度的砂岩样品进行能谱测试(图8)发现,砂岩a、b随铁(Fe)元素含量减少而降低。在不同取样点,颜色数据与Fe原子含量呈正相关关系,且变化趋势基本一致。在垂直深度剖面上,Fe元素含量在0~30 cm深度范围内快速减少,30 cm以下趋于稳定。对应的颜色数据中,b随深度增加显著下降,而a降幅较小且变化平缓。实验结果说明,Fe元素含量对砂岩黄蓝色度(b)的影响比对红绿色度(a)更为显著。

2.2.2 铁元素价态

采用邻菲罗啉分光光度法测定砂岩样品中铁离子含量,系统分析Fe³⁺、Fe²⁺与色度参数a、b的关联规律。

不同取样点砂岩的Fe³⁺含量与a、b呈正比例关系,Fe²⁺含量与a、b呈正相关[图9(a),图10(a)]。数据表明,铁离子(尤其是Fe³⁺)的含量变化是控制区域尺度砂岩色彩变化的关键因素。

对于取自不同深度的砂岩分析结果[图9(b),图10(b)]显示:Fe³⁺含量随深度增加持续递减,0~20 cm深度降幅最为显著:主要由于表层风化强烈,降雨冲刷导致易风化矿物流失,抗风化能力强的石英和铁质胶结物相对富集,而Fe³⁺在表层因风化环境更易富集;Fe²⁺含量呈现“下降-回升-稳定”的三阶段变化:0~20 cm深度,Fe²⁺与Fe³⁺同步减少;在20~90 cm深度区间,Fe²⁺含量出现逆向回升趋势。这一现象可归因于:随着深度增加,砂岩所处氧化环境逐渐减弱,导致Fe²⁺的氧化损耗速率降低;与此同时,上部风化层持续向下迁移的铁质胶结物在该深度形成次生富集。两相作用下,Fe²⁺的保存效率显著提升,从而产生含量回升特征;在深度大于90 cm后,Fe²⁺的含量变化趋于稳定,与a、b的关联性明显减弱。在0~20 cm深度区间内,a与b显著降低,砂岩颜色随深度增加逐渐变淡。a变化幅度始终低于b,表明砂岩颜色主要受Fe³⁺含量调控,铁元素价态对b的影响大于a。

3 微观结构与色彩值关系

为探究微观结构劣化对红层砂岩显色特征的影响规律,采用扫描电子显微镜(SEM)对垂直剖面(0~164 cm)样品进行微观结构观测(图11),并据此按照取样深度0、90、164 cm将砂岩分别划分为强风化、中风化和微风化3个等级。强风化砂岩表现出最显著的破碎特征,石英颗粒表面溶蚀严重,广泛存在破碎颗粒,孔隙大量发育,颗粒间胶结松散且胶结物大量流失;其色度值为a=20.95、b=24.9,显色特征与地表强烈风化样品相一致。中风化砂岩的结构完整性有所增强,但石英颗粒表面仍可见溶蚀凹坑,部分颗粒存在破碎现象,胶结物部分流失并伴随裂隙系统的发育,对应色度值降至a=19.51、b=19.91。微风化砂岩保持致密结构,石英颗粒表面较为光滑,胶结物保存较好,仅在局部区域存在微裂隙,其色度值进一步降低至a=19.59、b=18.99。借助南京大学地球科学与工程学院刘春团队研发的PCAS(particles/pores and cracks analysis system)图像分析系统,对不同风化程度的砂岩SEM图像进行处理分析,并保持裂隙宽度阈值等相关参数不变,对3种风化程度样品的微裂隙进行统计分析。从而定性评估不同风化带的表面粗糙程度与结构劣化程度(图12)。

对于砂岩,在相关参数相同的情况下,PCAS软件统计出的岩样裂隙率越高,表明其表面越粗糙,劣化程度也越显著。对比分析结果表明:靠近地表的砂岩受到风化作用影响更强,微观结构趋于松散破碎,其裂隙率较微风化带提高了22.19%,表面粗糙度显著提高。粗糙表面的发育增强了光线的漫反射效应,而波长较短的可见光对散射增强的响应更为剧烈,导致反射出的红光、黄光等长波可见光相对增强,从而使砂岩色彩表现更为鲜艳。

砂岩色彩的增强不仅受微观结构劣化的影响,同时也与风化过程中Fe离子的氧化还原反应及矿物成分的动态变化密切相关,最终使色度参数a、b整体升高。其中,黄蓝色度分量(b)对结构劣化的响应更为敏感,其增幅(Δb=5.91)为红绿色度分量(Δa=1.36)的4.3倍。宏观表现为:微观结构越松散破碎,砂岩呈现出的红色调越明显。

4 环境条件对砂岩色彩值的影响

4.1 含水率与砂岩色彩值的关系

为研究含水率对砂岩颜色特征的影响规律,通过自然饱水与风干实验系统监测砂岩显色变化。将16个标准砂岩试件进行自然饱水处理,实验数据显示(图13),砂岩达到完全饱水状态需36 h,此时含水率为2.8%。随后在25 ℃恒温环境下进行自然风干,含水率从2.8%降至0.8%需88 h(图14)。色度分析结果(图15)表明:随含水率降低,明度值L逐渐增大,宏观表现为砂岩颜色逐渐变白;a、b在含水率大于2.1%时呈现无规律波动,这与砂岩表面存在大量自由水导致的光线折射效应有关;当含水率小于等于2.1%时,a、b趋于稳定,此时表面水分蒸发完成而内部水分继续迁移。实验证实含水率对砂岩颜色的影响主要集中于水分接触初期(前几个小时),此时水分子折射作用显著改变表观色彩,长期而言含水率主要通过调控L值影响砂岩整体色度,而a、b变化受矿物本征属性主导。

4.2 温度与砂岩色彩值的关系

为探究温度对红层砂岩显色特征的影响规律,通过实验测定不同温度条件下的砂岩色度参数。如图16所示,随温度升高,砂岩a、b均呈现递减趋势,其中a变化幅度小于1,而b降幅接近,平均每升高10 ℃,b降低0.38。也即随温度升高,砂岩黄色程度显著减弱,红色调保持相对稳定。宏观观测显示,随温度上升,砂岩整体色度降低,逐渐呈现灰白色调。

5 结论

基于CIE-Lab色彩空间评价体系,对赤水红层砂岩进行系列实验,探究物质条件、微观结构、环境条件对红层砂岩显色特征的影响。通过多维度实验数据分析对比结果,得出以下结论。

(1)红层砂岩的颜色主要由赤铁矿(含Fe³⁺)和吸附红色的黏土矿物共同决定,这两种矿物含量越高,砂岩颜色越鲜艳。Fe³⁺是赤铁矿的核心成分,其含量及与Fe²⁺的动态变化直接控制砂岩红色的深浅。

(2)距离地表越近,砂岩的风化程度越高,其微观结构越破碎、松散,砂岩色彩值a、b随之也越高,宏观上表现为深度越浅而砂岩颜色更加鲜艳。

(3)温度升高会使砂岩变亮(L升高)但颜色变淡(a、b降低);含水率越低,L越高,砂岩颜色越明亮,a、b则随含水率降低而降低,最终在含水率低于2.15%后基本稳定。

此外,从颜色数据的变化中还发现,随着矿物成分、风化程度等因素发生改变,b的变化幅度都比a更大,也就是说,上述提到的影响因素都对砂岩的黄蓝色程度影响更大。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金(42067046)

2025年贵州省基础研究计划(自然科学)重点项目(黔科合基础ZD[2025]007)

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Received	Published	Revised
2025-06-18	2026-05-08	2025-11-26
Online Date
2026-08-06

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