浸泡與否對巖礦石密度測定的影響

張百帆，肖鋒，李以科， 柯昌輝

(1.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.自然資源部 成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037)

0 引言

巖石密度是巖(礦)石的一種物理屬性，表征單位體積內(nèi)的質(zhì)量大小。在地質(zhì)構(gòu)造、巖性變化及礦床賦存處通?？梢园l(fā)現(xiàn)明顯的密度變化，利用密度參數(shù)的變化可為找礦、工程及地質(zhì)問題研究工作提供參考。密度測定結(jié)果在重力勘探中有廣泛應(yīng)用：通過密度測定能提供不同巖(礦)石的密度差，后者是開展重力勘探的前提條件之一[1]；密度參數(shù)可用于重力異常中的地形校正和中間層校正[1-4]，利用不同密度校正獲得的布格重力異常，其形態(tài)可能完全相反[5]；密度分界面上下層的密度差，是界面反演時所需的已知參數(shù)[6]。在視密度反演和人機(jī)交互反演時，也需要提供不同巖性的密度范圍[3-4]。因此密度參數(shù)的正確測定對于獲得可靠的地質(zhì)解釋具有重要作用。但一些測定條件，如不同的測定儀器，采樣后放置時間及是否浸泡等會影響測定結(jié)果。

查看不同時期、不同比例尺的重力調(diào)查規(guī)范，對巖(礦)石密度測定之前是否需要浸泡存在不同的規(guī)定[7-10]。實(shí)際密度測定工作中，部分提及對標(biāo)本進(jìn)行浸泡處理[11-12]，部分選擇直接進(jìn)行測定[13]。因此，了解浸泡對密度測定結(jié)果的影響非常必要。

筆者選擇內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)采集的各類巖(礦)石共565塊，根據(jù)巖(礦)石類型將其分為15類，并使用MH-600Z電子式密度儀測定浸泡前后的密度值。最后對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，為定量分析浸泡對密度測定的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 不同規(guī)范對于密度測定的要求

1997年發(fā)布的《大比例尺重力勘查規(guī)范》(DZ/T 0171—1997)和2006年發(fā)布的《巖(礦)石物性調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(DD2006-03)均對密度標(biāo)本測定時浸泡時間提出具體要求：前者在巖(礦)石密度測定部分要求 “在標(biāo)本測定前，可將標(biāo)本水浸24 h以上，以期類似于深部賦存環(huán)境下的巖石”[7]。后者同樣提到“樣品必須在清水中浸泡達(dá)到水飽和。固結(jié)樣品浸泡時間一般為24 h，半固結(jié)的樣品約4 h左右，以不泡爛為宜”[8]。對巖(礦)石樣本測定前進(jìn)行浸泡處理，旨在模擬“深部賦存環(huán)境下的巖石”[7]，減少巖(礦)石因脫離原始的賦存環(huán)境而發(fā)生的物性變化。

2015年發(fā)布的《重力調(diào)查技術(shù)規(guī)范(1∶50 000)》(DZ/T 0004—2015)，在密度標(biāo)本的測定一節(jié)中，并未對巖(礦)石密度測定前是否需要浸泡處理提出具體要求，在密度工作、密度標(biāo)本的采集兩章節(jié)中，也并未提及浸泡的相關(guān)事項(xiàng)[9]。

2017年發(fā)布的《大比例尺重力勘查規(guī)范》(DZ/T 0171—2017)再次修改了1997年規(guī)范中對巖(礦)石密度測定的要求，要求“標(biāo)本采集后3天內(nèi)完成物性參數(shù)測定，否則在物性參數(shù)測定前，應(yīng)將標(biāo)本浸泡24 h以上，待標(biāo)本表面水分風(fēng)干后進(jìn)行物性參數(shù)測定”[10]。

由此可知，對于在巖(礦)石標(biāo)本密度測定前是否需要浸泡處理，不同規(guī)范提出了不同的要求，不同時期的規(guī)范也有所修改。具有一定孔隙和滲透性的巖石，浸泡會導(dǎo)致孔隙中的空氣逐漸被水替代，直至巖石完全水飽和。在測井資料解釋中多利用巖石體積物理模型建立線性回歸方程[14-15]，以描述密度與巖石含水飽和度、孔隙度和滲透率的關(guān)系,如：

ρ=a0+a1φ+a2φ+a3φSw，

(1)

式中：ρ為巖石密度；a0、a1、a2、a3為回歸系數(shù)；φ為巖石孔隙度；φ為滲透率；Sw為含水飽和度。

浸泡會導(dǎo)致巖石具有不同的含水飽和度，從式(1)中可知，除孔隙度、滲透率等巖石本身具有的性質(zhì)外，含水飽和度也可在一定程度上影響巖石的密度。不同行業(yè)、不同時期的規(guī)范對巖石密度測量前是否需要進(jìn)行浸泡處理提出了不同的要求，但并未說明原因。為此，我們希望通過實(shí)測對比，量化浸泡前后巖石密度的變化。

2 巖(礦)石密度測定方法

為研究浸泡前后巖(礦)石標(biāo)本的密度參數(shù)變化，在內(nèi)蒙古白云鄂博礦區(qū)進(jìn)行了巖樣采集，并對其浸泡前后的密度進(jìn)行測定。本次采集巖(礦)石標(biāo)本共565塊，并按照巖(礦)石類型劃分為15類，礦體圍巖8種，分別為淺變質(zhì)砂巖、板巖、片麻巖、花崗巖、閃長巖、斑巖、富鉀板巖、白云石碳酸巖(無礦化)；礦石類型7種，分別為赤鐵礦型鐵礦石、磁鐵礦富礦石、閃石型鐵礦石、霓石型鐵礦石、螢石型鐵礦石、云母型鐵礦石、鄂博層坡積層鐵礦石。在這15類巖(礦)石中，12類標(biāo)本采集數(shù)目超過30塊，具有統(tǒng)計意義。所有巖(礦)石標(biāo)本均使用MH-600Z電子式密度儀對其浸泡前和浸泡24 h后的密度進(jìn)行測定，MH-600Z密度儀技術(shù)參數(shù)可見于表1。隨機(jī)抽取75塊標(biāo)本(占總標(biāo)本數(shù)的13%)進(jìn)行重復(fù)測定，統(tǒng)計測定精度。最后對測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出各類巖(礦)石標(biāo)本浸泡前后的密度變化趨勢。本次密度測定精度為±0.008 g/cm3，遠(yuǎn)高于測定規(guī)范要求的±0.02 g/cm3。

表1 MH-600Z電子式密度儀基本技術(shù)參數(shù)

3 巖礦石密度特征

對15類巖(礦)石的密度測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(表2)，浸泡前及浸泡24 h后密度的最大值、最小值和平均值詳見表2。一般情況下，測量值的最后一位要與不確定度的最后一位取齊[16]。根據(jù)本次測定的不確定度(±0.008 g/cm3)，表2中的密度數(shù)據(jù)保留小數(shù)點(diǎn)后3位。除部分鉆孔巖心標(biāo)本(180塊)外，其余露頭采集的巖(礦)石標(biāo)本(385塊)均在采樣3天內(nèi)完成密度測定。其中片麻巖、斑巖、閃長巖3類巖石因標(biāo)本數(shù)量小于30塊，不具有統(tǒng)計意義，其他種類巖(礦)石均可用于分析浸泡對標(biāo)本密度產(chǎn)生的影響。

表2 巖(礦)石浸泡前后密度統(tǒng)計

由表2可知，平均密度最大的為浸泡后的赤鐵礦，3.906 g/cm3；最小的為浸泡前的鄂博層坡積層鐵礦，2.482 g/cm3。密度測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差總體較小，最大為0.347 g/cm3，說明每種巖樣的密度測量值比較集中。浸泡后密度變化最大的為鄂博層坡積層鐵礦，增大0.049 g/cm3；密度差減小只有云母型鐵礦石，減少0.008 g/cm3。除鄂博層坡積層鐵礦外，密度差百分比均小于1.00%，絕大多數(shù)小于0.50%。受壓實(shí)作用的影響，取自鉆孔巖心的巖(礦)石的孔隙度很小，浸泡后的密度變化微弱。

根據(jù)表2繪制巖(礦)石標(biāo)本平均密度差柱狀圖(圖1)。如圖1所示，平均密度的變化說明浸泡引起的密度變化并非隨機(jī)的。除云母型鐵礦石外，其余巖(礦)石的平均密度浸泡后都不同程度地增大。根據(jù)浸泡引起的平均密度變化量大小，我們將它們分為兩類。

圖1 巖(礦)石標(biāo)本浸泡后與浸泡前平均密度差Fig.1 Average density difference between rock (ore)sample after and before soaking

第一類，浸泡后平均密度變化量超過2倍測定誤差。此處測定誤差指標(biāo)準(zhǔn)中的測定誤差，是由巖石標(biāo)本在浸泡24 h前、后(干、濕狀態(tài)下)，按照13%的比率進(jìn)行重復(fù)測定(大于測量規(guī)范中要求的10%比率)，并依據(jù)《巖石礦物物性調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中均方誤差計算公式，經(jīng)統(tǒng)計計算得出。

均方誤差計算公式為：

(2)

式中：ε為均方誤差；n為檢查標(biāo)本數(shù)；Ai為第i件標(biāo)本一次測量結(jié)果；Bi為第i件標(biāo)本另一次測量結(jié)果。

借鑒重力勘探中對“可信重力異?！钡亩x[1]，我們認(rèn)為該密度變化量為“可信密度異?！薄６醪悠路e層鐵礦和赤鐵礦這兩種巖(礦)石標(biāo)本浸泡后平均密度明顯增大，它們的平均密度差分別達(dá)到了0.049 g/cm3和0.023 g/cm3，密度差百分比分別達(dá)到1.97%和0.59%，說明浸泡對這兩類巖石的密度產(chǎn)生較大影響，且影響值的可信度很高。

鄂博層坡積層鐵礦浸泡前后的密度對比如圖2所示。從圖2可以看出，浸泡前與浸泡后樣品的密度值絕大多數(shù)顯著不同，密度點(diǎn)連線也基本無重合，這進(jìn)一步說明浸泡對其密度測量值有明顯的影響。野外地質(zhì)調(diào)查顯示，該類巖(礦)石出露于地表，有乳白色風(fēng)化殼，且肉眼可見孔隙發(fā)育(巖樣照片如圖3所示)，其平均密度為所有樣品中最低，浸泡前僅為2.482 g/cm3，這是因?yàn)槠淇紫抖却螅詮?qiáng)，浸水后標(biāo)本孔隙中飽和含水，因此巖石密度顯著增大。

圖2 鄂博層坡積層鐵礦浸泡前后密度對比Fig.2 Density comparison charts of Obo strata talus accumulation iron ore before and after soaking

圖3 鄂博層坡積層鐵礦照片F(xiàn)ig.3 The photo of Obo strata talus accumulation iron ore

赤鐵礦浸泡前后的密度差異相對較小(圖4)，但整體上浸泡后的密度略高于浸泡前的密度。赤鐵礦的平均密度在所有樣品中最高，浸泡后高達(dá)3.906 g/cm3。白云鄂博礦區(qū)的赤鐵礦呈紅褐色塊狀，裂隙較發(fā)育，推測與該區(qū)斷裂活動有關(guān)。鏡下薄片進(jìn)一步顯示，該區(qū)赤鐵礦含有螢石，裂隙主要發(fā)育在螢石集合體中，受后期脆性擠壓應(yīng)力形成。

圖4 赤鐵礦浸泡前后密度對比Fig.4 Density comparison chart of hematite before and after soaking

巖石體積密度計算公式為[15]：

ρ0=(1-φ)ρma+φρf，

(3)

式中：ρ0、ρf、ρma分別指巖石體積密度、孔隙流體(水或空氣)密度和巖石骨架密度；φ指孔隙度。由于測得赤鐵礦平均密度為3.906 g/cm3，假設(shè)地下水密度為1.200 g/cm3，根據(jù)上述公式計算可知，只要裂隙體積能達(dá)到巖樣體積的2%，浸泡之后的飽和水會引起赤鐵礦密度差百分比增大0.6%。我們觀察了6塊赤鐵礦的薄片，觀測結(jié)果均顯示裂隙發(fā)育(圖5)。

圖5 赤鐵礦巖石薄片F(xiàn)ig.5 Thin section photo of hematite

第二類，浸泡后平均密度變化量低于2倍測定誤差。這類巖(礦)石的密度變化較小，可以視為在測定誤差范圍內(nèi)。極個別巖石類型(如螢石型鐵礦、閃石型鐵礦、磁鐵礦石)的密度變化甚至小于1倍測定誤差。因?yàn)樗鼈儙r石顆粒排列非常緊密，孔隙度極低，基本不具有吸水性，從而巖石密度變化微弱?？傮w上，這類巖(礦)石浸泡后的密度差百分比均等于或低于0.50%，浸泡對密度測定值的影響可以忽略。

值得注意的是，只有云母型鐵礦石經(jīng)浸水后平均密度減小，密度差達(dá)到-0.008 g/cm3，等于1倍測定誤差。推測在巖石標(biāo)本混合在一起浸泡以及取放過程中，片狀的云母晶體從標(biāo)本中脫離，導(dǎo)致密度減小。

4 結(jié)論

1) 對于孔隙度較大或裂隙發(fā)育的巖(礦)石，浸泡會顯著增大測定的密度，浸泡前后的密度差會超過2倍測定誤差，密度差百分比達(dá)到0.5%以上。

2) 對于致密的巖(礦)石，浸泡對密度測定的影響可忽略不計，密度的變化在2倍測定誤差范圍內(nèi)，不能視為有效密度變化，其密度差百分比低于 0.5%。

3) 對于如云母型鐵礦石等半固結(jié)標(biāo)本，按測定標(biāo)準(zhǔn)需在封蠟處理后采用天平法測定密度[7-10]。浸泡處理會導(dǎo)致部分晶體脫離，使密度測定結(jié)果偏小。

4) 巖石密度與地形校正和中間層校正的校正值存在線性關(guān)系，若密度測定存在5%誤差，校正值同樣會產(chǎn)生5%的誤差。該誤差會傳遞至布格重力異常的計算中，并進(jìn)一步影響利用布格異常進(jìn)行的各項(xiàng)反演(如利用布格異常計算視密度)，從而對重力解釋產(chǎn)生一定的影響。