第二节 泥沙的矿物特性与分类

一、泥沙的矿物组成

泥沙来源于岩石风化，而岩石是由不同矿物所构成，不同的风化作用和不同的颗粒大小，都影响着泥沙的矿物组成。

（一）岩石的风化和泥沙的矿物成分

岩石经物理风化后而破碎，形成的漂石、卵石、砾石等较大颗粒往往比岩石中原有的矿物颗粒要大，因而仍保留岩石原有多种矿物成分，由原生矿物如石英、长石、云母等所组成，砂粒与岩石中原生矿物颗粒大小差不多，所以多为单矿物组成；化学风化及生物过程使岩石的原生矿物成分发生化学变化，形成了粉粒以下细小颗粒的次生矿物。其中，不可溶次生矿物是粘粒的主要部分，如次生二氧化硅SiO₂、蒙脱石（Al₂，Mg₃）（Si₄O₁₀）（OH）₂，高岭土Al₂Si₂O₅（OH）₄等。可溶的次生矿物又可分为易溶、微溶、难溶次生矿物三类。易溶次生矿物如钠盐、钾盐（NaCl、KCl），微溶次生矿物多为硫酸盐（CaSO₄），难溶次生矿物最常见的为碳酸盐（CaCO₃，MgCO₃）。河流泥沙除原生矿物外，易溶和微溶次生矿物被水流所溶解，主要为难溶次生矿物存在。在进一步风化过程中，复杂的生物化学转变过程使泥沙中增加了有机质，并使有机质转变为土壤有机化合物的复合体即腐殖质。

据资料分析 ^[1]长江的悬移质泥沙是由轻矿物（比重＜2.9）、重矿物（比重＞2.9）、岩屑和杂质四部分组成，其中轻矿物为泥沙组成的主体，以石英、长石为主；重矿物主要包括角闪石等，含量一般为10%～20%；岩屑主要集中在大粒径级，并主要在长江上游干支流出现，含量约10%～30%，中下游已基本消失；杂质以植物碎屑较多，还有工业废弃物，含量较少。长江悬移质的粘土矿物中，伊利石占70%左右，绿泥石及高岭石各占约10%，蒙脱石占4%左右。在长江荆江段的床沙中，含有石英、长石、角闪石、方解石、黑云母、氧化铁、辉石及绿泥石等，其中石英占79%～80%，长石占5%～10%。

（二）泥沙重矿物的组成

重矿物的种类及含量与流域岩层的分布和组成有关。以长江口河段河床沉积物为例，在粒径为0.1～0.01mm泥沙中，重矿物含量约占5%左右，且含量较稳定，因此可通过对不同河段重矿物组成及含量的分析，判断河流的泥沙来源和相对数量。

根据林承坤的分析^[2]，长江口及其补给区重矿物组成如表2-3。从表中数据可以看出，宜昌与长江口河床沉积物重矿物百分数比较接近。长江口角闪石、钛铁矿、绿帘石、白云母等四种矿物占79.2%，长江南京至扬中河段四种矿物也占79.2%，而宜昌站四种矿物占83.7%，说明长江泥沙主要来源于宜昌以上。根据泥沙测验资料分析，长江大通站的泥沙约有78.5%来自宜昌以上。可见两种分析方法所得结论基本一致。

（三）矿物的物理特性

由于构成泥沙的矿物成分不同，比重也不一样。如蒙脱石比重约2.0，磁铁矿比重为5左右。但因泥沙中最主要的组成矿物为石英和长石，因此泥沙的比重一般都在2.60～2.70之间，通常取用2.65。在进行泥沙输移计算中，这是一个十分重要的数据。

硬度是表示矿物抵抗外界机械作用的能力。据对长江悬沙的分析，硬度≥7的矿物占50%以上，主要成分是石英和长石；硬度≤2～3的矿物占15%左右，主要成分是岩屑；硬度为4～5的矿物含量较少。综合统计，长江悬沙中硬度≥5的矿物平均约达80%，而水轮机过流部件金属材料硬度一般≤5，这就是过流金属部件受磨损的基本原因。

二、河流泥沙的分类

河流泥沙从不同的研究角度出发有不同的分类方法，如按泥沙在河流中不同的运动方式分类，按泥沙的矿物成分分类，等等。现采用按泥沙不同粒径进行分类的方式。

大量的分析资料表明，泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性和物理化学特性有着密切的关系：

1）不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质。例如，大于2mm的颗粒形成的土壤无毛细力，颗粒间不相连续；2～0.05mm的颗粒之间具有毛细力，但无粘结性；0.05～0.005m m的颗粒含水时具有粘结性；小于0.005m m的颗粒间不仅含水时具有粘结性，失水后粘结力反而增^[2]。这种粘结性对泥沙的运动起着重要作用。此外，泥沙在水流中的输移方式和沉降规律等，都与泥沙粒径有着密切的关系。

2）不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成。大颗粒通常带有母岩中原有的多矿物结构；沙粒与岩石中原生矿物颗粒尺度相近，所以它们往往由单矿物如石英、长石、云母等主要造岩矿物组成；较细的粉粒多由抗风化能力较强的石英等矿物或难溶的碳酸盐矿物组成；更细的粘粒则几乎都是次生矿物及腐殖质组成。

3）不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性。例如，泥沙的比重、容重、颗粒形态、颗粒表面吸附水膜对泥沙运动的影响等，均与泥沙粒径大小直接有关。

此外，不同粒径级的泥沙其级配分析方法也不相同。

河流泥沙粒径组成变化幅度很大，粗细之间相差可达千百万倍，考虑单颗泥沙的性质并无意义，必须决定于分级的平均值。通常将泥沙粒径按大小分类，粒径分类定名的原则，既要表示出不同的粒径级泥沙某些性质上的显著差异和性质变化的规律性，又能使各级分界粒径尺度成为一定的比例。我国土工试验规程^[3]将泥沙粒径按大小分类如图2-2所示。

从图看出，我国泥沙分类的分界数字为：200-20-2-1/20-1/200（即200-20-2-0.05-0.005），国际土壤学会分类的分界值为：200-20-2-0.2-0.02-0.002。实践证明，这些分界数字是能够划分出不同泥沙粒径组的性质特性的。

1994年，水利部颁发了《河流泥沙颗粒分析规程》，规定河流泥沙分类应符合表2-4。