EG 黄土中结合水研究揭示：黄土中的物质成分如何从微观尺度控制宏观地质灾害诱发机理

　　黄土高原超过90%的黄土地质灾害与水的直接作用有关，致使水致滑坡、崩塌等地质灾害频发。外界水分子在黄土颗粒表面双电层形成“结合水膜”，其规模和性质受黄土物质成分（颗粒大小、矿物种类、盐分类型）的控制，“结合水膜”的形成过程和物质成分控制模式研究是理解黄土结构遇水软化、黄土强度劣化的关键科学问题。

　　针对这一科学问题，中国地质调查局西安地质调查中心（西北地质科技创新中心）与四川大学灾后重建与管理学院、长安大学地质工程与测绘学院等国内高校开展合作，以甘肃省永靖县黑方台地区典型黄土滑坡马兰黄土为研究对象，创新性地结合热重分析（TGA）、Zeta电位测试和原子力显微镜（AFM）等微观测控技术，系统定量和定性地对不同物质组分黄土中结合水的物理性质进行了精细研究（图1和图2）。取得以下认识：

图1. 黄土采样的地点：（a）中国黄土高原；（b）黑方台黄土台塬和采样地点的照片；（c）方台村的地质构造；（d）现场采样照片；（e）黑方台台地的工程地质剖面图

　　一是量化了黄土不同组分对结合水膜厚度的控制规律（图4和图5）。研究发现，黄土颗粒越细，比表面积越大，水分子覆盖越均匀，反而导致结合水膜厚度减薄；不同矿物亲水性差异显著，伊利石和绿泥石等黏土矿物结合水能力远超碳酸盐矿物和石英、长石等疏水性矿物，其结合水膜更厚；盐分浓度越高、金属阳离子价态越高（如Ca²⁺、Mg²⁺对比Na⁺、K⁺），结合水膜反而越薄。Zeta电位测试结果与TGA计算所得的水膜尺度变化规律高度一致。

　　二是精确界定了强弱结合水的转化阈值与比例（图4和图5）。通过TGA升温过程中的失重曲线，研究明确了强结合水（TBWF）与弱结合水（LBWF）的析出温度阈值分别不超过223℃和134℃。原子力显微镜（AFM）直接观测验证，当含水量达到4%时，是强结合水与弱结合水的分界点；此后，弱结合水厚度迅速增长，在总结合水膜厚度中占比高达54.07%～71.42%。

　　图4. 所有样品BWF含量的计算结果：（a）黄土中不同粒径的BWF含量；（b）不同矿物的BWF含量；（c）不同盐浓度和盐类型的BWF含量

　　三是提出了基于结合水特性的黄土斜坡失稳概念模型（图5）。研究总结出：盐分中的阳离子“排斥”水分子、黏土矿物“吸附”水分子、细颗粒流失与土体饱和，是宏观尺度上诱发黄土斜坡结构破坏和失稳的三个核心机制。灌溉或降雨导致高价态阳离子被淋溶、浓度降低，结合水膜增厚，颗粒间黏结力减弱，最终引发滑坡。基于此，研究提出了两类防控建议：一是利用高分子聚合物改良亲水性矿物；二是采用高价态阳离子盐溶液灌注，压缩双电层，减薄水膜，增强土体强度。

　　该研究从微观视角揭示了黄土成分对结合水物理性质的控制机理，为理解水敏性黄土斜坡的失稳本质及灾害预防提供了关键理论依据。研究成果于2026年3月以“Influence of material with different components on the physical properties of the bound water of the loess (10.1016/j.enggeo.2026.108697)”为题发表在国际地学一区TOP期刊《Engineering Geology》上。地质安全评价室助理研究员孔嘉旭为本文第一作者，四川大学教授、国家自然科学优秀青年基金获得者庄建琦为通讯作者，共同作者包括长安大学教授、中国科学院院士彭建兵。本研究受国家自然科学基金（42090053、42322703、41922054）、中央高校基本科研业务费（YJ202534）、中国科学院山地灾害与工程安全重点实验室开放基金（KLMHER-K12）及中国地质调查局项目（DD20230443）联合资助。本研究由黄土科学领域多个高水平团队共同完成，验证了精细地质调查与专题科学研究相结合的高效调查研究模式。