岩石风化是改变地球地表过程的一种主要方式,是控制元素地球化学循环的重要过程,也是影响岩石圈表层人类工程活动的方式之一。与花岗岩、玄武岩及碳酸盐岩等岩石类型相比,黑色页岩富含硫化矿物(黄铁矿为主)和有机质,在表生环境中极易被氧化而发生化学风化作用,并且生成的酸性水和硫酸盐矿物,对岩体造成溶蚀、膨胀等效应,加速黑色页岩的化学风化进程,破坏岩体结构,将造成一系列工程地质和环境地质问题。因此,黑色页岩化学风化的研究可提升岩石风化领域的理论知识,也对工程地质灾害与环境地质评价及预测具有重大意义。本论文以重庆城口地区下寒武统水井沱组黑色页岩为研究对象,选取位于山脊中部的A剖面、近山顶的B剖面和山谷的C剖面,围绕黑色页岩及风化物的物理性质、孔隙特征、显微观形态特征、元素及矿物成分等特征,对黑色页岩化学风化过程的孔隙演化、微观结构、风化程度、矿物风化序列、风化趋势及元素迁移、再分配、分异规律等问题进行系统研究,综合阐述了黑色页岩的风化驱动机制和演化机理;并利用不同pH值的流动态含氧型H2SO4酸性水,将黑色页岩浸泡于酸性水中来模拟页岩风化过程的水岩化学作用,分析了水岩化学作用下黑色页岩的化学-力学耦合特性,阐述了岩石风化的力学特性。通过研究,取得了如下几点主要成果和认识:(1)根据地质样品分析结果表明重庆城口(城巴断块)黑色岩层(页岩)形成于缺氧型的被动大陆边缘,沉积时期的古气候属于干热型气候,在沉积过程中具有明显的热液活动参与,其沉积所处的位置位于浅海陆棚相-斜坡过渡带。(2)基于黑色页岩及风化产物的物理化学性质,黑色页岩化学风化过程中,孔径分布曲线的最大峰值向右移,孔径直径随风化推进而增大,而孔隙分形维数随孔径增大而增大,由单一孔隙结构逐渐演变为多种孔隙结构;微观结构表明随化学风化推进,矿物颗粒间的胶结连接逐渐松散,大颗粒晶体演变为粉粒,呈不规则的多边形形状。(3)黑色页岩风化系统中氧化风化是基岩转为半风化层,再至风化层的关键过程。黑色页岩化学风化过程中,矿物风化的化学反应顺序为:硫化矿物、有机质氧化作用;碳酸盐矿物酸蚀溶解作用;硅酸盐矿物(长石系列)溶解、蚀变及黏土化作用;黏土矿物的溶解及向更稳定黏土矿物转变的过程。根据元素和矿物的质量迁移系数(τTi,j)和质量迁移通量(Mj,flux)显示黑色页岩风化过程中Ca、Mg和Na元素具有明显的贫化现象,近地表处存在Al元素的富集现象,元素的活动性随化学风化程度增大而增加,其活动顺序为:Ca > Mg > Na > Fe > Si > K > A1;根据 Na/K-CIA、K/Ca*-Al/Na、A-CN-K和A-CNK-FM图解显示A剖面处于脱Ca、Mg过程的初级风化阶段,B剖面处于脱Ca、Mg、Na初期的初等—中等风化阶段,C剖面已发生脱Ca、Mg、Na过程,并伴随脱Si作用的中等—强烈风化阶段,结合不同风化指数,各剖面的化学风化强弱程度依次为C>B>A。(4)微量元素中,Mn、Sr、Ba、Pb、U、V、Cr、Co、Ni、Cu和Zn元素的活动性较强而易发生迁移、再分配和分异现象,Sc、Rb和Th元素的活动性较弱,而高场强元素(HFSE)则发生共生迁移与再分配效应。稀土元素的迁移活动性与pH值相关,其pH值越小则活动性越大,且其活动性随化学风化程度(CIA)增强而增加,稀土元素的在黑色页岩风化过程中的活动性顺序为MREE>HREE>LREE,导致各风化剖面稀土元素分异大小顺序为C>B>A,使LREE相对HREE呈富集现象;同时各风化剖面的δCeP>1,呈铈正异常,指示各剖面环境处于氧化状态。(5)黑色页岩化学风化的本质是水岩化学作用过程,其化学风化主要受到硫化矿物和有机质的氧化作用、水岩化学/物理作用及微观力学作用的控制。运用非平衡态热力学和耗散结构理论,对黑色页岩风化过程进行分析,认为黑色页岩化学风化过程是以热传导、物质流、动量流(机械耗散)和化学反应来推动的不可逆过程,自发经历化学振荡周期,形成以耗散结构模式为框架的渐稳定风化历程的驱动风化机制。(6)利用不同pH值的非平衡流动态含氧型H2SO4酸性水浸泡黑色页岩来模拟酸性水-页岩化学作用过程。在酸性水化学作用下,黑色页岩的单轴抗压强度和弹性模量都有不同程度的降低,水岩化学作用对黑色页岩有由脆性破坏向延性破坏转化的趋势,且水岩化学作用受控于pH值,其pH值越小,水岩化学作用效应也越明显。化学腐蚀后的黑色页岩力学参数与基于次生孔隙率的化学损伤变量具有密切关系,基于次生孔隙率的化学损伤变量建立力学劣化表达式,可以描述酸性水-页岩化学作用过程的化学-力学耦合作用。