四川寶興志留系飾面用大理巖特征

劉 亮, 余長榮, 趙相國

(1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊，綿陽 621010；2.攀枝花市自然資源和規(guī)劃局，攀枝花 617000)

大理巖為碳酸鹽巖經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用或接觸變質(zhì)作用形成,其運用廣泛[1-6],而作為飾面用大理巖產(chǎn)出時代以古生代為主,元古代和中生代次之。雖然其產(chǎn)出層位較多,但20世紀(jì)80年代以前,地質(zhì)工作中大理巖僅視為一般巖石,未歸入礦產(chǎn)資源進(jìn)行評價,地質(zhì)工作程度較低。近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國內(nèi)外建筑飾面大理巖裝飾行業(yè)的興起,飾面用大理巖石材越來越受到人們的青睞[7-10]。研究選擇在享有“石材王國”“石材之鄉(xiāng)”美譽(yù)的寶興縣,作為該縣的支柱產(chǎn)業(yè),名貴石材品種達(dá)30余種,總儲量逾30×109m3。區(qū)內(nèi)飾面用大理石品種主要有“寶興白”“青花白”“青花灰”“東方白”, 其中,尤以“寶興白”大理石最為著名。

傳統(tǒng)寶興縣飾面用大理巖主要產(chǎn)出層位為前震旦系鍋巴組[11-12],隨著飾面石材的用量越來越大,總量逐年減少,尤其是高品質(zhì)的“寶興白”已出現(xiàn)嚴(yán)重資源不足的跡象[13]。尋找優(yōu)質(zhì)飾面用大理巖對保證地方支柱產(chǎn)業(yè)和滿足社會需求具有重要的意義。鑒于此,選擇距寶興縣北西約25 km的志留系大理巖為研究對象,通過槽探、鉆探等系統(tǒng)工程控制并取樣分析,對其地質(zhì)特征、物質(zhì)組成、物理力學(xué)性質(zhì)、放射性等進(jìn)行了研究,探討作為飾面石材的可行性,并對其種類進(jìn)行劃分。以期拓展飾面用大理巖資源找尋范圍,為志留系大理巖資源的開發(fā)利用提供依據(jù)和參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)

1.1 地層

研究區(qū)大地構(gòu)造地處揚子準(zhǔn)地臺西北部龍門山-大巴山臺緣坳陷、龍門山陷褶斷束、寶興穹褶斷束,地層區(qū)劃屬上揚子地層分區(qū)九頂山小區(qū),區(qū)內(nèi)出露志留系(S)、泥盆系(D)、第四系(Q)地層。

1.1.1 志留系

礦區(qū)志留系茂縣群(SM)出露一段(SM1)、二段(SM2)、三段(SM3)。二段(SM2)為飾面用大理巖賦礦層位(圖1)。

圖1 地質(zhì)及工程控制情況略圖Fig.1 Sketch of geological and engineering control

(1)志留系茂縣群一段(SM1):灰白色細(xì)晶灰?guī)r,局部夾泥質(zhì)灰?guī)r,具細(xì)晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。巖石中見方解石細(xì)脈和黃鐵礦晶體。厚度大于116.77 m。

(2)志留系茂縣群二段(SM2):灰白至白色大理巖夾褐紫紅色白云質(zhì)大理巖、紫紅色、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖。大理巖具細(xì)晶結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造,巖石堅硬,斷口呈貝殼狀構(gòu)造,為優(yōu)質(zhì)飾面用大理巖,厚400～452 m；白云質(zhì)大理巖具細(xì)晶結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu),表面刀砍紋發(fā)育,巖石中見方解石細(xì)脈,厚5～20 m；泥質(zhì)粉砂巖具粉砂結(jié)構(gòu)、薄層狀構(gòu)造,厚10～15 m。

(3)志留系茂縣群三段(SM3)上部為灰黑色頁巖夾中厚層細(xì)晶灰?guī)r,細(xì)晶灰?guī)r層厚一般為4～5 m；中部為灰色石英細(xì)砂巖,具細(xì)粒結(jié)構(gòu)、中厚層狀構(gòu)造,局部夾泥質(zhì)灰?guī)r；下部為灰白色變石英砂巖,變晶結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,具硅化。底部為絹云母片巖，厚度為348 m。

1.1.2 泥盆系

(1)泥盆系下統(tǒng)捧達(dá)組(D1p),下段(D1p1)為淺灰-灰白色石英砂巖,夾薄層粉、細(xì)砂巖,具細(xì)粒結(jié)構(gòu),中厚層構(gòu)造,厚為94.86 m。上段(D1p2)為灰黑色頁巖、淺灰色灰?guī)r、黑灰色泥質(zhì)灰?guī)r、深灰色硅質(zhì)灰?guī)r不等厚互層。頁巖為薄層狀構(gòu)造,頁理發(fā)育,層厚為0.8～1.0 m；灰?guī)r具微晶結(jié)構(gòu)、中厚層構(gòu)造；泥質(zhì)灰?guī)r具細(xì)晶結(jié)構(gòu)、中厚層構(gòu)造；硅質(zhì)灰?guī)r具細(xì)晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石堅硬,方解石脈發(fā)育，厚為297.70 m。

(2)泥盆系中統(tǒng)河心組(D2h)為淺灰色中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾巖屑灰?guī)r,具微晶-細(xì)晶結(jié)構(gòu)、中厚層構(gòu)造，厚為484.24 m。

1.1.3 第四系(Qh)

第四系不發(fā)育,僅零星分布于溝谷和緩坡地段。沖洪積物為基巖巖石的碎塊、卵石、砂組成；殘坡積物為腐植土、黏土、砂夾巖石碎塊，厚為1～25 m。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)位于金湯弧形構(gòu)造帶(圖1),中樑子倒轉(zhuǎn)向斜的東翼,地層走向27°～45°,傾向北西,傾角為50°～60°,主要為北東向平行排列的逆沖斷層,以北東向為主。F1沖斷層為青草塘弧形沖斷層的東翼部分,該斷層將志留系茂縣群(SM)地層錯斷,造成飾面用大理巖礦體在走向延續(xù)被中斷。礦區(qū)內(nèi)長1 100 m,斷層走向北東35°～55°,傾向北西,傾角60°～70°,斷距50～150 m,為壓扭性斷裂。褶皺多為斷層破壞,局部受斷裂牽引形成小的撓曲、褶曲現(xiàn)象。

2 礦體特征

礦體賦礦層位為志留系茂縣群二段(SM2),按飾面石材標(biāo)準(zhǔn)和巖性特征,分上礦層(Ⅰ號礦體)和下礦層(Ⅱ號礦體)(表1),由于受F1斷層的影響,將上、下礦層錯成兩段。以斷層F1為界,在干溝南側(cè)為Ⅰ-1、Ⅱ-1號礦體；北側(cè)為Ⅰ-2、Ⅱ-2號礦體。上礦層為志留系茂縣群二段(SM2)白色大理巖,下礦層為志留系茂縣群二段(SM2)灰白色大理巖夾褐紫紅色白云質(zhì)大理巖。礦層之間為深灰色泥質(zhì)粉砂巖。

Ⅰ-1號礦體產(chǎn)于茂縣群二段(SM2),為白色大理巖,賦存標(biāo)高2 390～2 544 m。呈中厚層狀-塊狀產(chǎn)出，經(jīng)7條探槽(TC0、TC1、TC2、TC3、TC4、TC7、TC9)和3個鉆孔(ZK001、ZK301、ZK401)控制,礦體產(chǎn)狀為傾向218°∠47°，總長550 m,最大延深106 m,厚46.30～92.63 m。

表1 礦體特征Table 1 Ore body characteristics

Ⅰ-2號礦體產(chǎn)于茂縣群二段(SM2),為灰白-白色大理巖,賦存標(biāo)高2 240～2 385 m,呈厚層狀-塊狀產(chǎn)出,經(jīng)5條探槽(TC11、TC13、TC15、TC17、TC19)和2個鉆孔(ZK1302、ZK1702)控制,礦體長418 m,最大延深37 m,厚度50.31～79.68 m。

Ⅱ-1號礦體產(chǎn)于茂縣群二段(SM2),為灰白色大理巖夾褐紫紅色白云質(zhì)大理巖,賦存標(biāo)高2 110～2 157 m,呈厚層狀-塊狀產(chǎn)出,產(chǎn)狀164°∠38°,經(jīng)3條探槽(TC0-2、TC1-2、TC3-2)和1個鉆孔(ZK002)控制,礦體長198 m,延深36 m,厚24.99～62.03 m。

Ⅱ-2號礦體產(chǎn)于茂縣群二段(SM2),為灰白色大理巖夾褐紫紅色白云質(zhì)大理巖，賦存標(biāo)高2 010～2 084 m，呈厚層狀-塊狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀280°∠54°。經(jīng)2條探槽(TC17-1、TC19-1)和1個鉆孔(ZK1703)控制,礦體長126 m,延深38 m，厚度50.39～69.93 m。

研究區(qū)礦體屬于沉積變質(zhì)碳酸鹽巖類—粉晶-細(xì)晶大理巖。據(jù)礦石產(chǎn)出的地質(zhì)特征,可劃分為塊狀礦石、厚層狀礦石、中厚層狀礦石、薄層狀礦石。塊狀與厚層狀礦石顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造較均一,厚度在1 m以上,該類礦石約占41%左右,其質(zhì)量高,成塊性好,為開采優(yōu)質(zhì)石料的重點對象[圖2(a)]；中厚層狀礦石顏色、礦物成分無明顯變化,單層厚0.3～1 m,該類礦石占55%以上,受層厚影響,其利用價值較前者要低；極少量的薄層狀礦石由于厚度太小,基本上不能用作飾面用石材,但可作為鈣粉、水泥、建筑骨料等原料綜合利用。

3 礦石特征

3.1 礦石顏色及其變化

絢麗多彩的顏色是各種礦物對不同波長的可見光選擇性吸收或反射的結(jié)果,與其所含的礦物成份密切相關(guān)。大理巖礦石色澤多為漸變過渡關(guān)系,無明顯規(guī)律。礦石以灰白色為主,白色次之,顏色均勻,偶見褐紫紅及花斑條紋(白云質(zhì)含量高)。Ⅰ 礦層中上部多為灰色大理巖,下部以白色大理巖為主；Ⅱ 礦層頂部為少量為白色大理巖,下部為灰色大理巖。根據(jù)探槽和鉆孔取樣對比,顏色沿走向變化較小。經(jīng)與附近已開發(fā)礦山商業(yè)品種對比,結(jié)合礦區(qū)實際,對礦區(qū)飾面用大理巖礦石品種和品級初步劃分如下。

飾面用大理巖以灰色大理巖為主(50%～55%),灰白色大理巖次之(40%～50%),褐紫紅白云質(zhì)大理巖最少(<5%)。其商品名稱為灰色大理巖-青花白,灰白色大理巖——東方玉,褐紫紅大理巖——紫羅蘭。

①青花白色澤以灰色為基調(diào),含較多青灰,少量灰白、褐黃等色帶或暈斑,花色較美觀[圖2(c)]；②東方玉色澤黃白,含少量淺黃、褐黃等色線、色斑,粒度細(xì)小均勻,質(zhì)地細(xì)膩、致密,色彩較純正[圖2(b)]；③紫羅蘭色澤淺紫色,含少量淺黃、紫紅等色線、色斑,粒度細(xì)小均勻,質(zhì)地細(xì)膩、致密,色彩較純正[圖2(d)]。

圖2 飾面用大理巖及商品特征Fig.2 Marble and commodity characteristics for decoration

3.2 礦石結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成

礦石結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成是影響其物理性質(zhì)的關(guān)鍵因素。大理巖中的方解石結(jié)晶顆粒較均勻,粒徑為0.1～0.3 mm,以微粒-細(xì)粒結(jié)構(gòu)、微粒變晶結(jié)構(gòu)為主,少數(shù)纖狀變晶結(jié)構(gòu)、半自形-自形粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，致密塊狀、變余層理構(gòu)造,局部條帶狀構(gòu)造。

據(jù)薄片鑒定結(jié)果,大理巖礦物成分以方解石為主(80%～94%),次為白云石(5%～15%),少量泥質(zhì)、砂質(zhì)、絹云母、黃鐵礦等。具粉-細(xì)晶結(jié)構(gòu)、粒狀變晶結(jié)構(gòu)、條帶狀構(gòu)造,內(nèi)部可見團(tuán)塊狀的重結(jié)晶現(xiàn)象；方解石呈微晶、細(xì)晶,一般粒度為0.02～0.25 mm；白云石多呈它形晶,略具定向性,呈條帶狀分布；砂質(zhì)為粉-細(xì)粒的石英、長石顆粒,呈次棱角狀,粒度為0.04～0.3 mm；泥質(zhì)均勻分布于方解石表面及顆粒間，偶見絹云母、黃鐵礦,絹云母一般沿礦層結(jié)構(gòu)面分布；黃鐵礦則呈星點狀產(chǎn)出,粒徑為0.1～1.0 mm,一般沿層面分布,氧化后在礦石中多形成褐色暈斑或留下不規(guī)則凹坑,對板材質(zhì)量有一定影響。

3.3 礦石化學(xué)組分

化學(xué)組分是研究礦石用途的基礎(chǔ),決定了礦石的性質(zhì)和用途。在探槽工程中共采集36件大理巖樣品,在鉆孔共采集24件大理巖樣品,統(tǒng)計分析結(jié)果如表2所示。大理巖CaO含量為25.96%～55.58%,MgO含量為0.31%～25.34%,SiO2含量為0.17%～10.04%,Fe2O3含量為0.035%～3.67%,TiO2為0.01%～0.16%, K2O為0.02%～1.70%, Na2O為0.01%～0.11%。該礦段大理巖礦質(zhì)純,CaO、MgO含量高,組分均一,含雜質(zhì)少。巖石中除與Fe2O3、Al2O3含量微有差別外,其余組分含量、化學(xué)成分的差異對飾面石材質(zhì)量無明顯影響。大理巖化學(xué)成分在地表(探槽)與深部(鉆孔)的變化, MgO含量深部高于地表,Fe2O3含量地表高于深部,其他含量差別小。據(jù)化學(xué)組分分析,研究區(qū)大理巖可用于水泥、鈣粉、骨料等用途。

表2 大理巖化學(xué)分析結(jié)果Table 2 Chemical analysis results of marble

3.4 礦石物理力學(xué)性質(zhì)

3.4.1 礦石天然密度、吸水率

礦區(qū)共采集10件樣品測試天然密度,9件樣品測試天然吸水率(表3)。大理巖天然密度為2.66～2.81 g/cm3,平均2.74 g/cm3。其中,紫羅蘭2.76～2.81 g/cm3、青花白2.66～2.74 g/cm3、東方玉2.67～2.78 g/cm3。

表3 天然密度、吸水率測試結(jié)果Table 3 Test results of natural density and water absorption

吸水性與孔隙率及孔隙特征有關(guān),通常情況下質(zhì)地越緊密堅硬的石材吸水率越小[14]。低于1.5%的巖石稱為低吸水性巖石；吸水率介于1.5%～3.0%的稱為中吸水性巖石；吸水率高于3.0%的稱為高吸水性巖石。大理巖天然吸水率為0.14%～0.56%,平均0.28%。其中,紫羅蘭0.35%～0.56%、青花白0.15%、東方玉0.14%～0.31%,均為低吸水性巖石。

3.4.2 巴氏硬度、耐磨性、光澤度、白度

研究區(qū)共采集10件樣品測試巴氏硬度、耐磨性,5件樣品測試光澤度,2件樣品測試白度。由四川省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心和四川省建筑工程質(zhì)量檢測中心測試。巴氏硬度是指其抵抗其他物體機(jī)械侵入的能力,大理巖的巴氏硬度在90～96,平均93.6。其中,紫羅蘭94、青花白94、東方玉90～96。耐磨性指其抵抗磨損的能力,與物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、抗壓強(qiáng)度等密切相關(guān)[15],大理巖耐磨性83～122 mm3,平均101.7 mm3。

光澤度也是衡量石材品質(zhì)和加工質(zhì)量的重要指標(biāo),取決于組成石材的礦物的顏色、結(jié)構(gòu)、結(jié)晶程度、透明度等因素。大理巖石材光澤度在78°～100°，紫羅蘭78°、青花白100°、東方玉96°(表4)。東方玉粉狀礦石的白度85.1°～88.2°,平均86.7°。

表4 巴氏硬度、耐磨性、光澤度測試結(jié)果Table 4 Test results of babbitt hardness, wear resistance and glossiness

3.4.3 大理巖力學(xué)性質(zhì)

抗壓強(qiáng)度是以邊長為50 mm的立方體試塊吸水飽和狀態(tài)下的抗壓極限強(qiáng)度平均值；抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小[16],為抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10,是典型的脆性材料。研究區(qū)共采集10組力學(xué)樣品,由川西北地質(zhì)工程勘察院巖土測試中心測試,大理巖抗壓強(qiáng)度為39.57～106.6 MPa,平均72.42 MPa。其中,紫羅蘭80.50～89.15 MPa、青花白39.57～106.60 MPa、東方玉41.72～71.31 MPa?？箟簭?qiáng)度測試結(jié)果表明,研究區(qū)大理巖可滿足飾面和建筑石料用要求,綜合利用可有效提高資源利用率,降低開采成本?？拐蹚?qiáng)度為2.05～6.45 MPa,平均4.81 MPa，紫羅蘭3.32～5.83 MPa、青花白2.05～6.17 MPa、東方玉5.38～6.45 MPa(表5)。

表5 大理石物理力學(xué)測試結(jié)果Table 5 Physical and mechanical test results of marble

3.5 礦石的放射性特征

天然石材因含有天然放射性核素而具有一定的放射性[17-18],為保證使用安全,對大理巖3個品種的放射性進(jìn)行了檢測(表6),由四川省建筑工程質(zhì)量檢測中心測試。根據(jù)《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)及《民用建筑工程室環(huán)境污染控制規(guī)范》(GB 50325—2010)的要求,裝飾材料中天然放射性標(biāo)準(zhǔn)限量內(nèi)照射指數(shù)IRa≤1.0和外照射指數(shù)Ir≤1.3的要求為A類裝飾材料,A類裝飾材料的產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

表6 大理石放射性測試結(jié)果Table 6 Test results of marble radioactivity

研究區(qū)飾面大理巖原巖主要為低放射性的碳酸鹽巖[19],因而各品種的大理巖礦石放射性測試均低于檢出下限,達(dá)到A類裝飾材料要求,其產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)飾面大理巖賦存于志留系茂縣群中部,出露標(biāo)高2 010～2 544 m,含礦巖層厚度大,綿延數(shù)十公里,資源量豐富。礦石以白色、灰白色大理巖為主,少量褐紫紅白云質(zhì)大理巖。

(2)大理巖CaO含量25.96%～55.58%,MgO含量0.31%～25.34%,SiO2含量0.17%～10.04%,Fe2O3含量0.035%～3.67%,TiO2為0.01%～0.16%, K2O為0.02%～1.70%, Na2O為0.01%～0.11%。天然密度為2.66%～2.81 g/cm3,吸水率0.14%～0.56%,巴氏硬度在90～96,耐磨性在83～122 mm3,光澤度在78°～100°,白度為85.1～88.2,飽和抗壓強(qiáng)度在39.57～106.60 MPa,抗折強(qiáng)度2.05～6.45 MPa；IRa、Ir均低于檢出下限,符合A類石材用要求。

(3)研究區(qū)飾面大理巖石材分為青花白、東方玉、紫羅蘭3個品種。大理巖礦質(zhì)細(xì)膩,顏色純正,花紋和諧,光澤度較高,具良好的裝飾性能和耐久性,可優(yōu)先作為飾面石材用,剩余荒料綜合用于水泥、鈣粉、骨料等。為該地區(qū)志留系大理巖的開發(fā)利用提供參考和依據(jù)。