行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▓ 成 果 報 告
□期中進度報告
採取低含水量水庫淤泥並資源化應用於燒製輕質骨材之研究--子計畫四：低
含水量水庫淤泥中之黏土礦物表面性質沉積脫水乾燥之關聯性研究(I)
計畫類別：□ 個別型計畫 ▓ 整合型計畫 計畫編號：NSC－96－2621－Z－006－007 執行期間：96 年 8 月 1 日 至 97 年 7 月 31 日
計畫主持人：申永輝 共同主持人：
計畫參與人員：蘇佳琪、施育仁
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：成功大學 資源工程學系
中 華 民 國 97 年 10 月 15 日
中文摘要
本計畫基於水庫淤泥資源化利用為輕質骨材的概念，對於採取低含水量水庫淤泥後 續處理前，望透過充分了解淤泥中含黏土礦物及其表面特性與淤泥含水量之間的關連性 以得最佳脫水條件，達到在淤泥順利轉化成輕質骨材中間以最低成本、最簡易及控制脫 水效率之目的。第一年計畫針對於水庫淤泥之理化特性進行詳細之分析瞭解，其成果除 可應用於後續脫水及乾燥程序條件之設計與調整外，更能擴充目前國內水庫淤泥理化性 質之資料庫，作為水庫淤泥資源化應用之參考。研究發現台灣水庫淤泥應來自同一經沉 積盆地深埋的成岩過程(伊萊石化)所形成之厚泥質沉積岩，組成以伊萊石、綠泥石、石 英為主，淤泥中較粗顆粒主要為石英，而細粒(＜2µm)之黏土礦物主要為伊萊石與綠泥 石，其化學成份應相當固定但可能因不同礦物相含量而稍有變化。三種礦物皆為非澎潤 型黏土礦物，預期其所含水分為自由水(不與固體顆粒結合的水及不受毛細力影響的水) 及間隙水(受孔隙及凝絮體的間隙補捉的水)為主。其脫水乾燥程序之難度應較含澎潤型 黏土礦物之淤泥為低。另外，台灣水庫淤泥中＜2 µm 的部份所含綠泥石為富鐵綠泥石 為水庫淤泥中主要鐵成份來源。石門、曾文、白河水庫淤泥之總有機碳含量分別為0.5%、
0.4%、0.91%，以片狀型態與黏土混層存在。在水中充份分散後，可分離出有機碳含量 為2%之黑色淤泥。
關鍵詞：水庫淤泥；伊萊石；綠泥石；石英；有機碳；粒徑分佈
Abstract
The purpose of this project is to find a feasible technology for dewatering and drying of reservoir sediments from Taiwan in the context of producing light-weight aggregates using reservoir sediments. The object of this first-year project is to characterize the physical and chemical properties of Taiwan’s reservoir sediments. It is expected that the information obtained in this study may provide valuable reference for the utilization of reservoir sediments as a valuable resources. Results of this study indicate that the major components of reservoir sediments are quartz, illite, chlorite. Quartz is the major component for sediment with particle size coarser than 2 um. For clay size fraction, illite and chlorite are the major components. Quartz, illite and chlorite are non-expandable clay minerals and their dewatering and drying property will be much easier than expandable clay mineral. The major source of Fe which is important for balling action of sediment comes from chlorite.
Finally the three reservoir sediments sampled in this study contain 0.4% - 0.9% organic carbon.
Keywords: reservoir sediment; illite; chlorite; quartz; organic carbon, particle size distribution
目錄
1. 前言 ……….2
2. 研究目的 ………4
3. 研究方法 ………6
3-1. 淤泥樣品 ………6
3-2. 淤泥粒徑分級(classification) ……….….6
3-3. 淤泥 X-Ray 繞射定性及定量分析……….….6
3-4. 淤泥顆粒 SEM 形貌分析 ………..….8
3-5. 水庫淤泥有機碳分析 ……….... 8
3-6. 水庫淤泥化學成份分析 ……….8
4. 結果與討論 ………9
4-1. 水庫淤泥粒徑分佈 ……….9
4-2. 淤泥 X-Ray 繞射結果 ……….9
4-2-1. X-Ray 定性分析 ………9
4-2-2. X-Ray 定量分析………21
4-3. 淤泥顆粒 SEM 形貌分析 ………..29
4-4. 水庫淤泥之有機碳含量 ………29
5. 結論 ………38
6.參考文獻 ……… 39
表目錄
表 1.移除水庫淤泥之成本分析 ………3
表2. 水庫淤泥不同粒徑區間重量分佈 ……….11
表3. 石門水庫淤泥礦物相分佈 ……….15
表4. 曾文水庫淤泥礦物相分佈 ……….16
表5. 白河水庫淤泥經前處理後礦物相分佈 ……….17
表7. 石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之礦物組成 ………26
表6. 白河水庫淤泥風乾順向試片之半定量分析範例 ……….27
表8 石門水庫淤泥有機碳含量分佈 ………..33
表9. 曾文水庫淤泥有機碳含量分佈………..34
表10. 白河水庫淤泥有機碳含量分佈 ………..35
圖目錄
圖1. 計畫實驗工作架構 ………5
圖2.石英重量百分比的標準檢量線 ……….7
圖3. 水庫淤泥粒徑分佈曲線 ……….….10
圖4. 石門水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析 ………...12
圖5. 曾文水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析 ………13
圖6. 白河水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析 ………14
圖7. 白河水庫淤泥經前處理後分級之 x-ray 繞射分析 ………18
圖8. (a)綠泥石(b)伊萊石結構之示意圖 ………..19
圖9. 溫度與時間對伊萊石化作用之影響 ………..22
圖10. 石門水庫上游集水區之黏板岩樣品 ………23
圖11.石門水庫上游集水區之黏板岩樣品之 x-ray 繞射分析 ………24
圖12. 三種淤泥＜2 µm 的部份順向試片之 x-ray 繞射分析 ………25
圖13. <2µm 之淤泥於 550OC 6hr 處理前後之 X-ray 比較 ……….28
圖14. 水庫淤泥原樣 ………30
圖15. 水庫淤泥中粗顆粒(石英) ………..31
圖16. 水庫淤泥中細顆粒(黏土礦物) ………..32
圖18.石門水庫淤泥＜2µm 部分離心後分離之黑色似碳黑物質之x-ray 繞射分析 36 圖17.石門水庫淤泥＜2µm 部分離心後分離之黑色似碳黑物質 ……….37
1. 前言
台灣大部份水庫集水區之地質是屬於經過輕度變質的第三紀巨厚泥質之沉積岩所 構成，在岩性上第三紀亞變質岩的沉積物多為頁岩及板岩等，由於降雨集中及地形陡 峭，加上水土保持不當，造成水源地土壤嚴重流失，致使水庫淤積情況嚴重。依據統計 資料顯示，台灣水庫每年總淤積量達1,460 萬立方公尺，約為一座明德水庫的有效蓄水 容積與使用年限，影響原有防洪發電功能，因此台灣水庫壽命之延長則是當務之急。水 庫浚渫則是目前的措施之一，而水庫淤泥的處理則是水庫浚渫作業的主要工作。事實上 淤泥亦是一種自然資源，可作為天然黏土礦物來源，並運用愉陶瓷業或營建材料製造業 等。近年來國內已有相關研究，係利用水庫淤泥燒製成輕質骨材，優生高性能輕質骨材 混凝土，或建築用磚「14」。但因其質料過細並常富含黏土質以至於含水量高，須先經脫 水乾燥處理才能成為有用骨材。因此研發水庫淤泥脫水乾燥技術及有效控制淤泥含水量 的方法，除能達到淤泥體積減量，更可以，減少淤泥脫水乾燥的花費，加速淤泥之最終 處置。
根據處理方式的不同，水庫淤泥現今之處理流程可以分成「浚渫處理」、「中間處 理」及「最終處置」三個階段。
1.浚渫處理:
水庫浚渫係指清除水庫內淤泥之過程，依所使用之機具及運用機理，浚渫方式大致 可分為：陸面機械開挖與機械浚渫。
(一) 陸面機械開挖:
利用挖土、裝土、運土之機具以清除露出水面淤沙之一種浚渫方式。進行陸面機械 開挖時，通常以挖土機開挖露出水面之淤泥，並直接由挖土機或利用裝載機裝入傾卸卡 車，輸運到指定之棄土場傾卸。
(二) 機械浚渫:
以工作船上配置抽泥或挖泥設備清除庫底淤泥之一種浚渫方式。其特點為可機動的 清除水下淤泥，而不致於影響水庫之正常運轉。
2.中間處理:
淤泥處理方式以工法而言大致可分為(一)化學固化處理;(二)壓縮脫水處理;(三)離心 機脫水處理法。
在水庫浚渫作業中，機械浚渫是最為費神費事的作業之一，因為含有機物的污泥依 傳統作法必須以脫水機脫水製成污泥始能棄運，然此等有機污泥含99%的水份，龐大淤 泥量處理不但需要廣大場地，其作業又極為費事，處理費用也不低。水庫清淤方式中，
以陸面機械開挖佔大部分，一般是在枯水期時利用挖土設備開挖露出水面之淤積物，其 施工成本較其他清淤方式為低。少部分水庫是以抽泥船或挖泥船，在庫內水域進行清 淤，此種清淤方式幾乎全年皆可實施。
但若以現今水庫淤泥之處理方式無法提供一套有效、省錢具經濟效益的方法。表1.
為水庫淤泥處理所需的經費。水庫淤泥富含黏土質，黏土具有高之吸水特性，使得水庫 淤泥運送及後續使用花費大量的人力、精力和錢力。因此須從頭審議，本計畫對淤泥
表1.移除水庫淤泥之成本分析
組成份之群體與微觀黏土礦物表面性質深入探討及了解，再進一步找出有效控制淤泥含 水量的方法，減少淤泥脫水乾燥的花費，加速淤泥之最終處置。
2. 研究目的
本計畫基於水庫淤泥資源化利用為輕質骨材的概念，對於採取低含水量水庫淤泥後 續處理前，望透過充分了解淤泥中含黏土礦物及其表面特性與淤泥含水量之間的關連性 以得最佳脫水條件，達到在淤泥順利轉化成輕質骨材中間以最低成本、最簡易及控制脫 水效率之目的。第一年計畫針對於水庫淤泥之理化特性進行詳細之分析瞭解，其成果除 可應用於後續脫水及乾燥程序條件之設計與調整外，更能擴充目前國內水庫淤泥理化性 質之資料庫，作為水庫淤泥資源化應用之參考。第一年計畫工作架構如圖 1。
圖1. 計畫實驗工作架構
3. 研究方法
3-1. 淤泥樣品
為增加淤泥樣品代表性本研究採取台灣三處不同地點的水庫淤泥，分別為石門水庫 (s-silt)下游大漢溪旁沉澱池放置之淤泥、曾文水庫(z-silt)枯水期時深入庫底所取得之淤泥 及白河水庫(w-silt)沉澱池取得之淤泥。預先將三種水庫淤泥烘乾 2 天 120℃，再經人工 初步破碎成小顆粒。
3-2. 淤泥粒徑分級(classification)
將預先烘乾的水庫淤泥加入蒸餾水中，間歇的攪拌淤泥懸浮液1 天，使淤泥充分被 水潤濕並分散於蒸餾水中。以100 號篩網(149 µm)將淤泥懸浮液中之雜物(枯枝、枯葉等) 先行移除。接續將<149 µm 之淤泥懸浮液配置成約為固體濃度為 7wt %懸浮液，於超音 波震盪處理15 分鐘後，以濕篩(wet sieving)與重力沉降(gravity sedimentation)方式將水庫 淤泥顆粒分級為150µm-37µm、 37µm -5µm 、5µm-2µm、＜2µm 等四個區間進行分級。
濕篩採用200 號與 400 號篩網，重力沉降則利用 Stokes’ law，於不同時間收集液面下固 定深度(5 cm)之懸浮液。水庫淤泥經粒度分級後烘乾並秤重，以重量百分率方式表示其 粒徑分佈。Stokes’ law，則表示如下：
Stokes’ equation：
η ρ υ ρ
18 )
2(
L
gd p −
=
υ 代表顆粒之終端速度(terminal velocity)，g 代表重力加速度，d為顆粒之直徑，ρpρL分 別代表顆粒與液體的密度，η代表液體黏度。
3-3. 淤泥 X-Ray 繞射定性及定量分析
本實驗使用Siemens D5000 型 X 光粉末繞射儀，進行淤泥相鑑定與定量分析。將經 粒度分級後之各級淤泥進行X-Ray 繞射分析，掃描角度範圍為 2θ = 5 ~ 500 進行礦物相 定性鑑定。另外對淤泥中之主要組成礦物石英、伊萊石、綠泥石進行定量分析以瞭解淤 泥之詳細礦物組成。石小於2 微米的黏土礦物先進行移除去有機質及金屬氧化物等雜質 再進行定量鑑定。石英的定量分析以掃描速度0.020 / step 條件進行掃描。利用內標準法 (Internal standard)來定量石英。首先製作標準檢量線(standard calibration curve)，製作過 程為配製不同比例的石英(Quartz)與綠泥石(Chlorite)混合試樣再各添加 20 wt%的 CaF2
作成標準樣品，進行X-Ray 繞射分析，經計算可得 Quartz (100)面繞射峰對 CaF2 (220) 面 繞射峰的積分面績比，再以此積分面績比與石英(Quartz)重量百分比的關係建立一標準 檢量線(如圖 2)。
淤泥中伊萊石及綠泥石之定量分析則採用黏土礦物半定量分析之權重因子法。先製 作黏土礦物順向試片，一批試片以自然乾燥(Air Dry)處理，稱為未經處理(untreated) 之順向試片；另一批試片用乙二醇(Ethylene Glycol;EG)處理，將含粒徑小於 2um 的淤
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Quartz content(wt%) y = 0.0097x + 0.001
R2= 0.9989
圖2.石英重量百分比的標準檢量線
泥懸浮液用滴管吸取溶液滴在載玻片上，靜置讓其自然乾燥，將其中一批試片置於裝有 乙二醇(濃度 90%)的蒸發皿中，用加熱板加熱至 60℃，靜置 8 小時以上，即為乙二醇處 理之試。 X 光繞射實驗設定之操作電壓為 30KV、電流為 20mA。實驗參數為:掃描速度 1 2 /min; 掃 描 範 圍 2 ~32 ； 時 間 常 數 (time constant)=2 秒 ； 行 進 間 距 (step size)=0.01。黏土礦物組成之半定量分析採用 Johns et.(1954)和 Biscaye(1965)的經 驗公式法，其原理為等量之純黏土礦物混合物的繞射峰強度有一定的比例關係，稱為權 重係數或權重因子 (weighting factor)，將同一樣本中各種黏土礦物的繞射峰強度乘 上或除以各自的權重因子後，令其總合等於 100％，即可計算出各種礦物的相對含量。
經驗公式法之權重因子的給定作法是：經過乙二醇處理的順向試片 X 光繞射圖譜中，10A 繞射峰(伊利石) 強度乘以 4，7A 繞射峰(綠泥石)強度乘以 2，其加權繞射峰強度總合等 於 100％。
3-4. 淤泥顆粒 SEM 形貌分析
利用掃描式電子顯微鏡(SEM,HITACHI S3000-N)進行觀察，實驗前先將樣品以碳膠 帶黏於金屬基座上，放入白金薄層蒸鍍機中蒸鍍一層白金薄膜，即可分析。
3-5. 水庫淤泥有機碳分析
本實驗使用 Shimadzu 總有機碳分析儀(TOC-5000A)之固體樣品分析裝置(Model SSM-5000)量測淤泥中有機碳含量。使用購自 MERCK 之葡萄糖(C6H12O6)作為檢量線之 標準品。
3-6. 水庫淤泥化學成份分析
將水庫淤泥樣品精稱0.1g 置於鐵弗龍高壓斧中，加入 3ml 王水、5ml 氫氟酸、旋緊 蓋子後置於105℃烘箱中 2 小時，將其取出放冷後加入 50ml 之 5% 硼酸除去多餘之氫氟 酸，再以純水將溶液稀釋至適當濃度，以原子吸收光譜儀(Perkin Elmer AA100)測定各種 金屬原素。
4. 結果與討論
4-1. 水庫淤泥粒徑分佈
由於水庫淤泥粒徑範圍廣，由數百微米至小於微米，不易以單一方法量測，故本研 究以濕篩搭配重力沉降方式將淤泥分級，以重量百分比方式表示其粒徑分佈曲線如圖 3，而水庫淤泥於不同粒徑區間重量分佈如表 2。圖 3 結果顯示石門水庫淤泥粒徑小於曾 文水庫淤泥，石門水庫淤泥之平均粒徑(d50)為 5µm，曾文水庫淤泥之平均粒徑(d50)為 40µm，白河水庫淤泥(w-silt)之平均粒徑(d50)為 6.2µm。而表 2 結果顯示石門水庫淤泥中 黏土含量為35.6%遠高於曾文水庫淤泥之 7.8%。推測水庫淤泥粒徑分佈主要取決於採樣 地點與時間，不同的雨量與水力搬運距離影響區域沉積物之粒徑大小分佈。但應可藉由 簡單之濕篩或水力分級程序取得適當粒徑範圍之淤泥。
4-2. 淤泥 X-Ray 繞射結果
4-2-1. X-Ray 定性分析
經粒度分級後之各級淤泥進行X-Ray 繞射分析，其結果顯示於圖4 至圖 6。三種水 庫淤泥經 X-Ray 定性分析後顯示其主要成分皆為石英(Quartz)、伊萊石 (Illite)、綠泥石 (Chlorite)及含微量鈉長石和鈣長石(Albite and Anorthite)。淤泥分級後各粒徑區間之礦物 相分佈顯示於表 3-5。其結果說明水庫淤泥中較粗顆粒主要為石英，而細顆粒(＜5µm) 主要為黏土礦物伊萊石與綠泥石。值得注意的是細粒之黏土顆粒中含有極細微之石英粒 子，其與不易沉降之片狀黏土礦物有相同的沉降速度。圖6顯示白河水庫淤泥粒徑區間 10~5µm 的伊萊石與綠泥石繞射峰顯著偏高，推測可能為有機物使淤泥膠結，故使得較 多量伊萊石與綠泥石存在此粒徑區間。故將白河淤泥＜37µm 部份先進行移除有機物及 金屬物之預先處理後再進行分級。預先處理再進行分級之白河淤泥繞射結果顯示於圖 7 繞射結果顯示預先處理再分級可有效的移除膠結物，粒徑區間10~5µm 的伊萊石與綠泥 石繞射峰顯著降低，使伊萊石與綠泥石富集於＜2 µm。
伊萊石不同於膨潤石主要為電荷較低，存在層間的水合可交換性陽離子經有機溶劑 及水中可使膨脹。伊萊石為似雲母類之黏土礦物的通稱，伊萊石和雲母類之區別為其 Al 取代 Si 之量較少、含有較多之水且其 K 被部份之 Ca 和 Mg 所取代，如圖8(b)所示。
一般地說，伊萊石d(001)衍射峰的形狀反映伊萊石的結晶程度，結晶較好的伊萊石(001) 衍射峰窄且對稱，結晶不好的伊萊石(001)衍射峰寬且不對稱。伊萊石為許多頁岩內之主 要組成。綠泥石族(Chlorite)在地球所發現細粒徑的綠泥石大部分均為綠顏色。這種礦物 的來源均自低度至中度變質作用的變質岩。綠泥石為 2:1:1 型的黏土礦物，其特性可視 為2:1 型的滑石(或葉蠟石)黏土礦物中間插入一層似水鎂石(或三水鋁石)之八面體層，其 化學式為Mg3Si4O10(OH)2·Mg3(OH)6，2:1 型的黏土礦物厚度約為 1.0 nm，此綠泥石構造 厚度總和為1.4 nm，如圖8(a)所示。大多數的綠泥石，Al、Fe2+和Fe3+ 可取代滑石層及 似水鎂石層內八面體位址之 Mg，而 Al 取代四面體位址之 Si，造成綠泥石之一般式：
(Mg,Fe2+, Fe3+,Al)3(Al, Si)4O10(OH)2·(Mg,Fe2+, Fe3+,Al)3 (OH)6。綠泥石層間氫氧化物的
圖3. 水庫淤泥粒徑分佈曲線
表2. 水庫淤泥不同粒徑區間重量分佈
粒徑區間 (µm)
石門水庫 (wt%)
曾文水庫 (wt%)
白河水庫 (wt%)
150－37 1.8 50.7 4.9 37－5 43.1 31.8 43.6 5－2 19.5 9.7 16.7
＜2 35.6 7.8 34.8
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2-Theta
counts
C Q I
(002) (002)
I
(004)
C
(003)
I
(100)
C
(004)
I
(114)
I I
I I (006)
I
QQ Q A A A Q
A
74-148 µm 37-74 µm 10-37 µm 5-10 µm 2-5 µm
< 2um (de-org&metal
s-silt C: Chlorite
I: Illite Q: Quartz
A: Albite 、Anorthite
圖4. 石門水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析
圖5. 曾文水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析
圖6. 白河水庫淤泥分級後之 x-ray 繞射分析
表3. 石門水庫淤泥礦物相分佈
粒徑區間 (µm)
重量分率 (%)
礦物相
150-37 1.77 石英
37-5 43.1 石英、伊萊石、綠泥石 5-2 19.5 石英、伊萊石、綠泥石
＜2 35.6 伊萊石、綠泥石
表4. 曾文水庫淤泥礦物相分佈
粒徑區間 (µm)
重量分率 (%)
礦物相
150-37 50.73 石英
37-5 31.79 石英、伊萊石、綠泥石 5-2 9.74 伊萊石、綠泥石
＜2 7.74 伊萊石、綠泥石
表5. 白河水庫淤泥經前處理後礦物相分佈
粒徑區間 (µm)
重量分率 (%)
礦物相
74 ~ 37 3.8 石英
37 ~5 43.6 石英、伊萊石、綠泥石 5 ~2 16.7 石英、伊萊石、綠泥石
＜2 34.8 伊萊石、綠泥石
(002) (003) (004)
counts (002)
圖7. 白河水庫淤泥經前處理後分級之 x-ray 繞射分析
K K
×
×
× ×
×
×
× ×
Interlayer cation
×
×
× ×
×
×
× ×
Gibbsite
0 ×
×
14 (Å)
O = Oxygen = Hyroxyl ● = Silicon X = Aluminum 0 = Magnesium
10 (Å)
(a) (b)
圖8. (a)綠泥石(b)伊萊石結構之示意圖
部分帶正電荷，而2:1 型的部分帶負電荷。帶正電荷有換質作用之氫氧鎂石層(brucite) 夾在2:1 型帶負電荷的層中間，而限制此礦物之膨脹且減少有效的表面積和陽離子交換 容量。傳統之綠泥石同構取代是發生在四面體層，而以氫氧鎂石層作為層間之陽離子，
此礦物2:1 部分的層電荷是可變的。綠泥石的陽離子交換容量(CEC)為 10~ 40 meq/100g，表面積為 70~150 m2/g。
臺灣大部分水庫位於西部麓山帶的新第三紀地層，本區屬於第三地質區的主要部 份。就岩性而言，台灣的第三紀地層(上世紀及中新世的合稱)係以未變質的碎屑沉積岩 (砂岩與頁岩)之連續沉積為主；其時代從漸新世晚期即以開始，經中新世而延續到上新 世；分佈於西部麓山帶；其年代由東往西漸新，地層的厚度則往南方而漸厚，沉積物的 粒徑也隨之而漸細。另外，在脊樑山脈的西斜面之廬山層則是以受過輕度變質的硬泥岩 至板岩為主，其時代為中新世或包含一部份的漸新世地層。西部麓山帶的新第三紀碎屑 沉積物及輕度變質的廬山層都是屬於同一個地槽內的沉積，分別代表近濱及遠濱的沉積 相。唯靠近東邊的泥質循環物因為受到後期的板塊運動之擠壓，而發生輕度變質。
相關研究文獻指出伊利石/膨潤石混層礦物上最常見的一種混層礦物，膨潤石因為 深埋成岩作用而逐漸轉變至伊利石。在研究膨潤石-伊利石轉變的研究中，Perry et al.(1970)和 Hower et al.(1976)研究 Gulf Coast 的漸新統-中新統頁岩的礦物組成與化學成 分變化指出，隨著深度的增加，伊利石/膨潤石混層礦物的伊利石含量由 20％變化到 80
％，綠泥石含量增加，高嶺土含量減少，粒徑大於 2um 的頁岩之鉀含量減少，而粒徑小 於 0.1um 的頁岩之鉀含量增加。Hower et al.(1976)提出礦物組成與化學成分的改變符合 下列反應式:
Smectite ＋ Al + K ＝ Illite + Si (1)
(1)式中，鋁離子與鉀離子來自鉀長石或雲母類礦物，矽離子可能形成石英，膨潤石轉 變為伊利石時釋放出的鎂離子與鐵離子可能形成綠泥石，因此其礦物反應式為:
Smectite ＋ K-feldspar ＝ Illite + Quartz + Chlorite (2)
對於膨潤石向伊利石轉變的過程，不同的作者提出不同的反應式，但基本上膨潤石-伊 利石轉變是一個加鉀、加鋁、去矽和脫水的過程(趙杏媛等，1990)。膨潤石-伊利石開 始轉變的溫度約 57℃~95℃，或者為地表下 1.5~3.5 公里、溫度 69℃~116℃之間(Freed and Peacor,1989)。膨潤石轉變為伊利石的過程包括兩種作用，一種是膨潤石的脫水作 用，一種是膨潤石-伊利石礦物相轉變。脫水作用是膨潤石層間域的水分子數改變，而 層間電荷不改變；膨潤石-伊利石礦物相轉變是由於層間電荷增加，鉀離子進入層間域 以及層間結構塌陷至 10A。這兩種作用是不同的，而脫水作用也會伴隨著物相轉變 (Colten-Bradlley，1987)。相關研究文獻也曾報導沉積盆地沉積物中的膨潤石及經風化形 成之黏土礦物在沉積盆地深埋的成岩過程中透過混層伊萊石膨潤石經中間階段轉變而 成頁岩中之伊萊石。頁岩中伊萊石膨潤石比值隨沉積岩盆地的深度與溫度增加而變大
(如圖 9)，整個轉變過程稱之為伊萊石化作用(illitization)。台灣大部份水庫集水區之地質 是屬於經過輕度變質的第三紀巨厚泥質之沉積岩所構成，本研究之三個水庫淤泥樣品經 X-Ray 定性分析後顯示其主要成分皆為石英、伊萊石、與綠泥石，與上述反應原理相符，
因此可以瞭解台灣水庫淤泥應來自經沉積盆地深埋的成岩過程(伊萊石化)所形成之厚泥 質沉積岩，組成以伊萊石、石英、綠泥石為主其化學成份應相當固定但可能因不同礦物 相含量而稍有變化。此關於台灣水庫淤泥來源之推論亦可透過分析石門水庫上游集水區 之黏板岩樣品(如圖 10)組成得到證實。圖 11 顯示黏板岩之主要成份正是伊萊石、石英、
綠泥石。
4-2-2. X-Ray 定量分析
由定性分析得知水庫淤泥中較粗顆粒主要為石英，而細顆粒(＜5µm)主要為黏土礦 物伊萊石與綠泥石。利用此內標準法(Internal standard)來定量淤泥內之石英的含量。圖2 為石英(Quartz)重量百分比的標準檢量線。淤泥中伊萊石及綠泥石之定量分析則先製作 黏土礦物順向試片採用黏土礦物半定量分析之權重因子法分析。依據圖 2 之檢量線分 析，石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之石英含量分別為 8.8%、10.6%及 5.3%。
此部份石英應是由膨潤石轉變為伊利石時釋放出的矽所形成，屬於顆粒極細之二次石 英，在電子顯微鏡下亦不易查覺。三種淤泥＜2 µm 的部份順向試片繞射分析結果示於 圖 12。依據黏土礦物組成之半定量分析的經驗公式法之伊萊石及綠泥石相對含量(範例 見表 6)並配合內標準法所得石英含量將石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之礦 物組成列於表 7。由表 7 得知三種水庫淤泥＜2 µm 的部分皆為綠泥石、伊萊石與微量 石英，以伊萊石含量最高，石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之伊萊石含量分 別為79.0、67.1、55.1 ％。
綠 泥 石 在 沉 積 物 中 常 見 有 所 謂 的 富 鐵 綠 泥 石 (chamosite) 與 富 鎂 綠 泥 石 (clinochlore) 。 綠 泥 石 具 有 完 整 的 基 面 d(001) 衍 射 序 列 ， 即 14.25×10-1nm(001) 、 7.15×10-1nm(002)、4.75×10-1nm(003)和 3.53×10-1nm(004)四個基面衍射峰，分辨富鐵綠泥 石與富鎂綠泥石之方式為: 四個衍射的相對強度隨重元素(主要是 Fe)含量的變化而變 化，Fe 含量增加，(002)和(004)衍射峰強度增加，(001)和(003) 。另外富鐵綠泥石之衍 射峰強度在550℃熱處理後易受破壞，而鋁、鎂質綠泥石加熱到 550℃仍可維持其 d(001) 的1.4 nm 晶格。圖 13 顯示水庫淤泥＜2 µm 的部份經 550℃熱處理前後之衍射峰圖譜。
綠泥石出現之衍射峰明顯為(002)和(004)，且經 550℃熱處理後綠泥石(002)和(004)消 失。此現象足以說明水庫淤泥＜2 µm 的部份所含綠泥石為富鐵綠泥石。由於伊萊石與 石英不含鐵，因此富鐵綠泥石為水庫淤泥中主要鐵成份來源。有學者指出Fe2O3在與還 原劑如有機碳在高溫作用分解出CO 及 CO2是以水庫淤泥製造輕質骨材時之膨脹原因。
因此進一步對水庫淤泥中富鐵綠泥石之研究是有義意的工作。
圖9. 溫度與時間對伊萊石化作用之影響
圖10. 石門水庫上游集水區之黏板岩樣品
2-Theta
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
counts
Shale ＜2um (random orientation)
Shale ＜2um
(preferred orientation)
Shale
C: Chlorite I: Illite Q: Quartz
A: Albite 、Anorthite
Q I C
(002) (002)
I(004
)
C
(003)
I (100)
C(004)
I(114) I
I I I
(006) I
C(001) C
C Q
Q Q(200) Q
Q A
A A
圖11.石門水庫上游集水區之黏板岩樣品之 x-ray 繞射分析
圖12. 三種淤泥＜2 µm 的部份順向試片之 x-ray 繞射分析
表6. 白河水庫淤泥風乾順向試片之半定量分析範例
2-Theta d(A) BG Height I% Area I% FWHM 5.361 16.4709 0 82 7.4 1330 13.2 0.551 6.039 14.6242 7 133 12.1 1869 18.6 0.478
8.682 10.177 4 296 26.9 2674 26.6 0.307
12.314 7.1819 8 688 62.4 7587 75.5 0.375
17.674 5.0142 33 399 36.2 4542 45.2 0.387 18.563 4.776 20 222 20.1 3069 30.5 0.47 19.661 4.5116 8 43 3.9 271 2.7 0.214 20.715 4.2843 9 91 8.3 428 4.3 0.16 23.55 3.7746 17 50 4.5 117 1.2 0.08 25.035 3.554 81 618 56.1 10046 100 0.553 26.522 3.3579 180 1102 100 9971 99.3 0.308 27.803 3.2061 73 157 14.2 1414 14.1 0.306 31.475 2.8399 11 104 9.4 2937 29.2 0.96 33.017 2.7108 8 25 2.3 59 0.6 0.08 方法
(a)10Å ，9.0o/2Ө Illite(001) / 1 = 2,674
(b)7Å ，12.5 o/2Ө Clinochlore(002) / 4 = 1,896.75 Illite% = 2,674 / (2,674+1,896.75) = 58.50%
Chlinochlore% = 1,896.75 / (2,674+1,896.75) = 41.49%
表7. 石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之礦物組成
成分百分比(%) 伊萊石 綠泥石 石英
石門 79.0 12.2 8.8
曾文 67.1 22.3 10.6
白河 55.1 39.6 5.3
圖13. <2µm 之淤泥於 550OC 6hr 處理前後之 X-ray 比較
4-3. 淤泥顆粒 SEM 形貌分析
由先前分析結果得知水庫淤泥中較粗顆粒主要為石英，而細顆粒(＜5µm)主要為黏 土礦物伊萊石與綠泥石，且細粒之黏土顆粒中含有極細微之石英粒子。水庫淤泥之原 樣、粗顆粒(石英)與細顆粒(黏土礦物)之電子顯微鏡圖像顯示於圖 14、15、16。圖 15 可 知粗顆粒(石英)之形狀為立體菱角狀，而圖 16 顯示可知細顆粒伊萊石與綠泥石則呈現片 狀。此粗顆粒與細顆粒形狀明顯差異之事實將影響不同比例粗顆粒與細顆粒混合成份之 水庫淤泥之粉末堆積，進而影響水庫淤泥之吸水或脫水乾燥行為，值得進一步探討。
4-4. 水庫淤泥之有機碳含量
水庫淤泥中有機質之含量與性質為目前關於水庫淤泥應用之相關研究中較少被探 討的課題。水庫淤泥中的有機質對製作輕質骨材製程中之發泡程序扮演重要的角色。王 根元[1979]研究頁岩的膨脹性能，認為促使頁岩膨脹的氣體主要是氧化鐵的分解和有機 物之間進行氧化-還原反應產生的產物。故分析淤泥中有機碳含量對於製備輕質骨材有 其必需性。表 8 至表 10 為三種水庫淤泥所含的有機碳含量之分佈。三種水庫淤泥中以 白河水庫淤泥的總有機碳含量最高。石門、曾文、白河水庫淤泥之總有機碳含量分別為 0.5%、0.4%、0.91%。水庫淤泥中以＜2µm 部份有機碳含量最高，說明含碳物質應是與 黏土共存，極有可能以片狀型態與黏土混層存在。石門、曾文、白河水庫淤泥＜2µm 粒 徑之總有機碳含量分別為2.17 C mg/g、 0.67 C mg/g 、2.65 C mg/g。
另外，將石門水庫淤泥＜2µm 部份在水中充份分散後，以離心機離心，在離心管底部沉 積物頂層可發現黑色似碳黑物質之富集(如圖 17)。推測此似碳黑物質沉積物中之有機物 在伊萊石化之成岩過程中於片狀黏土礦物層間受壓作產生變質作用轉化為類似石墨之 片狀碳粒，由於其密度低可以與黏土礦物顆粒分離。相信此現象的進一步探討對於水庫 淤泥資源化方面之研究有所助益。利用連續水洗分散後離心後收集離心管內之黑色水溶 液，烘乾後取得黑色淤泥。經分析黑色淤泥有機碳含量為2%。圖 18 為石門水庫淤泥＜2µm 部分離心後分離之黑色似碳黑物質之x-ray 繞射分析。值得注意的是經 550℃熱處理後 除綠泥石繞射峰消失外，有機碳燒失後伊來石之 002 繞射峰形狀更加尖銳，證實了前述 含碳物質是以片狀型態與黏土混層存在之推測。
圖14. 水庫淤泥原樣
圖15. 水庫淤泥中粗顆粒(石英)
圖16. 水庫淤泥中細顆粒(黏土礦物)
表8 石門水庫淤泥有機碳含量分佈
粒徑區間(µm) 有機碳含量 (%) 重量分率 (%) 平均有機碳(%)
74 ~37 1.19 1.55
37 ~ 5 0.45 43.1
5 ~ 2 0.38 19.5
＜ 2 0.61 35.6 0.50
表9. 曾文水庫淤泥有機碳含量分佈
粒徑區間(µm) 有機碳含量(%) 重量分率 (%) 平均有機碳(%) 150 ~37 0.22 50.73
37 ~ 5 0.46 31.79
5 ~ 2 0.75 9.74
＜ 2 0.86 7.74 0.40
表10. 白河水庫淤泥有機碳含量分佈
粒徑區間(µm) 有機碳含量 (%) 重量分率 (%) 平均有機碳(%)
150 ~37 0.36 4.9
37 ~ 5 0.89 49.3
5 ~ 2 1.0 18.7
＜ 2 0.98 27.1 0.91
圖17.石門水庫淤泥＜2µm 部分離心後分離之黑色似碳黑物質
圖18.石門水庫淤泥＜2µm 部分離心後分離之黑色似碳黑物質之 x-ray 繞射分析
5. 結論
台灣水庫淤泥應來自同一經沉積盆地深埋的成岩過程(伊萊石化)所形成之厚泥質沉積 岩，組成以伊萊石、綠泥石、石英為主，淤泥中較粗顆粒主要為石英，而細粒(＜2µm) 之黏土礦物主要為伊萊石與綠泥石，其化學成份應相當固定但可能因不同礦物相含量而 稍有變化。
本研究發現以X-Ray 繞射分析利用內標準法(Internal standard)可準確測定水庫淤泥中石 英的含量。淤泥中伊萊石及綠泥石之定量以製作黏土礦物順向試片採用黏土礦物半定量 分析之權重因子法分析，亦獲得準確結果。三種水庫淤泥＜2 µm 的部分皆為綠泥石、
伊萊石與微量石英，以伊萊石含量最高，石門、曾文、白河水庫淤泥＜2 µm 的部份之 伊萊石含量分別為79.0、67.1、55.1 ％。
台灣水庫淤泥組成以伊萊石、綠泥石、石英為主。三種礦物皆為非澎潤型黏土礦物，預 期其所含水分為自由水(不與固體顆粒結合的水及不受毛細力影響的水)及間隙水(受孔 隙及凝絮體的間隙補捉的水)為主。其脫水乾燥程序之難度應較含澎潤型黏土礦物之淤 泥為低。
台灣水庫淤泥中＜2 µm 的部份所含綠泥石為富鐵綠泥石。由於伊萊石與石英不含鐵，
因此富鐵綠泥石為水庫淤泥中主要鐵成份來源。鐵成份在以水庫淤泥製造輕質骨材時之 膨脹過程扮演原重要之角色。
石門、曾文、白河水庫淤泥之總有機碳含量分別為0.5%、0.4%、0.91%。水庫淤泥中以
＜2µm 部份有機碳含量最高，說明含碳物質應是與黏土共存，以片狀型態與黏土混層存 在。在水中充份分散後，可分離出有機碳含量為2%之黑色淤泥。
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