風(fēng)化作用及節(jié)理對(duì)飾面用花崗巖礦床的影響

葉孔凱

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心福建總隊(duì)，福建 福州 350001)

我國(guó)花崗巖分布面積廣泛，以燕山期及印支—華力西期為主，其中燕山期花崗巖相對(duì)于印支—華力西期的受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次更少、受破壞程度更小，故燕山期花崗巖為飾面用花崗巖找礦的最佳對(duì)象。福建的“永定紅”(G3596)、“羅源紅”(G3565)、“漳浦紅”(G3548)、“銹石”(G3582)等大部分飾面用花崗巖礦床均賦存于燕山晚期的花崗巖巖體內(nèi)?；◢弾r一般形成深度大于10km[1]，在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下逐漸出露于地表，后再受到風(fēng)化作用形成當(dāng)今模樣。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量節(jié)理破壞了花崗巖完整性，風(fēng)化作用改變花崗巖表層巖石性能，其對(duì)飾面用花崗巖礦床均起到較大的破壞作用，對(duì)礦床開(kāi)采價(jià)值影響巨大。通過(guò)調(diào)查福建省8個(gè)飾面用花崗巖礦山、10余個(gè)采場(chǎng)，查看了3 000余米鉆探巖心，研究探討風(fēng)化作用及節(jié)理對(duì)飾面用花崗巖礦床的影響，對(duì)評(píng)價(jià)飾面用花崗巖礦床具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)化作用對(duì)飾面用花崗巖礦床的影響

風(fēng)化作用直接破壞了花崗巖礦體表層的巖石性能，使巖石強(qiáng)度降低、顏色變化、雜質(zhì)增多。導(dǎo)致風(fēng)化作用的主要因素有：太陽(yáng)輻射、地表水、氣及其他化學(xué)元素等。根據(jù)風(fēng)化作用的特性，進(jìn)一步可分為物理風(fēng)化及化學(xué)風(fēng)化作用。

(1)物理風(fēng)化作用的影響。

物理風(fēng)化作用導(dǎo)致花崗巖內(nèi)節(jié)理增多、加深，破壞巖石完整性，主要有：熱脹冷縮、冰劈作用及電子躍遷。

熱脹冷縮：太陽(yáng)輻射直接改變巖體表層溫度，在晝夜溫差及氣候溫差變化下使巖體熱脹冷縮出現(xiàn)節(jié)理，這種節(jié)理主要發(fā)育于近地表。冰劈作用：水進(jìn)入裂隙后，在溫差影響下循環(huán)地產(chǎn)生冰劈作用(水結(jié)成冰，體積增大，產(chǎn)生應(yīng)力)，使節(jié)理擴(kuò)大、加深且密度加大，導(dǎo)致花崗巖被破壞呈碎塊狀，降低花崗巖強(qiáng)度。電子躍遷：太陽(yáng)輻射還常使花崗巖中致色電子獲得足夠的能量發(fā)生躍遷，導(dǎo)致石材褪變色[2]。

(2)化學(xué)風(fēng)化作用的影響。

化學(xué)風(fēng)化作用是由于水、空氣等通過(guò)節(jié)理通道與花崗巖直接接觸，發(fā)生水化、氧化反應(yīng)，產(chǎn)生綠泥石、高嶺石、褐鐵礦等礦物，導(dǎo)致花崗巖強(qiáng)度降低、顏色變化及斑點(diǎn)變多。主要類型有高嶺土化、綠泥石化、褐鐵礦化等。

高嶺土化：水中的OH-長(zhǎng)期與花崗巖中的長(zhǎng)石礦物發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生高嶺土化[3-4]，使得花崗巖花色變淺，呈灰白色。風(fēng)化殼內(nèi)越靠近表層高嶺土化越強(qiáng)烈，如強(qiáng)風(fēng)化層中，由于節(jié)理密集發(fā)育，巖石變色為灰白色，強(qiáng)度極低(圖1a)，一捏即碎。在弱—微風(fēng)化層中，高嶺土化僅發(fā)育裂隙兩側(cè)，一般厚度僅1～10mm，破壞程度較低。綠泥石化：花崗巖中的長(zhǎng)石 (斜長(zhǎng)石為主)、云母、角閃石和輝石等在氧氣及含鋁質(zhì)水的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，使礦物轉(zhuǎn)化為綠泥石。由于綠泥石硬度較低，在綠泥石化強(qiáng)烈區(qū)域，巖石強(qiáng)度會(huì)明顯降低，同時(shí)綠泥石化作用改變了花崗巖石材的原有花色，呈現(xiàn)草綠色斑點(diǎn)，如果斑點(diǎn)分布凌亂、不均勻，將嚴(yán)重影響石材的美觀而成為瑕疵(圖1b)。褐鐵礦化：花崗巖中的黑云母(為主)、角閃石和輝石等鐵質(zhì)礦物在水化和氧化共同反應(yīng)下，產(chǎn)生褐鐵礦。褐鐵礦化改變了花崗巖花色，呈現(xiàn)黃色斑點(diǎn)。與“銹石”不同的是，風(fēng)化作用導(dǎo)致的褐鐵礦化十分不均勻，常僅在節(jié)理發(fā)育地帶褐鐵礦化較明顯(圖1c)。

圖1 “永定紅”礦山圖解荒料率

圖1 化學(xué)風(fēng)化作用對(duì)飾面用花崗巖的影響

2 節(jié)理對(duì)礦體的影響

節(jié)理是影響花崗巖礦體完整程度的主要因素之一，直接關(guān)系到礦山開(kāi)采的荒料率，對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)價(jià)值至關(guān)重要。

2.1 節(jié)理的分類

不同類型的節(jié)理對(duì)飾面用花崗巖礦影響程度不同。一般地質(zhì)工作中，按照節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)分為張節(jié)理和剪節(jié)理，同時(shí)還有一類常被忽視的微節(jié)理。

張節(jié)理為受張拉應(yīng)力產(chǎn)生的破裂面。其節(jié)理面粗糙，無(wú)擦痕，節(jié)理寬度較大，內(nèi)部常破碎或有脈巖充填，延伸長(zhǎng)度一般較小。同時(shí)張節(jié)理常發(fā)生“尖滅側(cè)現(xiàn)”，即張節(jié)理沿走向及傾向延伸不遠(yuǎn)即行消失，而在其兩側(cè)又可發(fā)育同方向的張節(jié)理[5]。張節(jié)理雖然延伸長(zhǎng)度小，但分布間距小且較密集，對(duì)礦體破壞最大。剪節(jié)理為受剪切應(yīng)力產(chǎn)生的破裂面。其節(jié)理面平整，有擦痕，一般延伸較遠(yuǎn)，在剪裂面常次生羽狀短節(jié)理。剪節(jié)理雖然延伸長(zhǎng)度大，但節(jié)理間距一般較寬，對(duì)礦體破壞程度較小。微節(jié)理一般容易被忽視，節(jié)理長(zhǎng)度在幾微米到幾厘米不等，常在斷層或大的節(jié)理附近密集發(fā)育。微節(jié)理主要影響花崗巖拋光后的光澤度，即微節(jié)理在巖石的拋光面上常形成暗線、暗斑，在節(jié)理發(fā)育密度較大的區(qū)域形成低反射率的暗區(qū)[6-7]。

在福建省“永定紅”花崗巖石材調(diào)查區(qū)內(nèi)，揭露到張節(jié)理一般節(jié)理面寬度0.5～10cm，節(jié)理內(nèi)常出現(xiàn)巖石破碎或脈巖充填，長(zhǎng)度一般1～23m，節(jié)理間距一般1.8～3.1m，對(duì)礦體破壞程度大。剪節(jié)理一般呈閉合狀，常形成次生羽裂，長(zhǎng)度一般70～100m，節(jié)理間距一般23～45m，一般貫穿整個(gè)采場(chǎng)，對(duì)礦體破壞程度一般。微節(jié)理主要出現(xiàn)在較大的節(jié)理邊部，對(duì)礦體影響范圍最小。

2.2 節(jié)理密度對(duì)飾面石材評(píng)價(jià)的影響

節(jié)理密度是反應(yīng)巖石內(nèi)節(jié)理發(fā)育程度的重要因素，對(duì)飾面石材荒料率影響重大，同時(shí)也是圈定節(jié)理密集區(qū)的主要依據(jù)。DZ/T 0291-2015/XG1-2020《飾面石材礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》[8]中規(guī)定一般中檔的飾面石材荒料率不低于18%，并要求圈出節(jié)理密集區(qū)。部分地質(zhì)技術(shù)人員對(duì)于節(jié)理密度統(tǒng)計(jì)不細(xì)致，忽視了節(jié)理密集區(qū)的劃分或劃分不準(zhǔn)確，常影響礦體評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。下面列舉兩個(gè)實(shí)例，說(shuō)明節(jié)理密度對(duì)評(píng)價(jià)飾面用花崗巖礦的影響。

(1)福建某飾面用花崗巖礦山：由于地質(zhì)技術(shù)人員未詳細(xì)統(tǒng)計(jì)節(jié)理密度，按土木工程地質(zhì)中節(jié)理分類標(biāo)準(zhǔn)[9]將節(jié)理較發(fā)育類型(表1)的花崗巖圈定為礦體，同時(shí)圖解荒料率選點(diǎn)不均勻，雖地質(zhì)報(bào)告估算出理論荒料率為20%，但實(shí)際生產(chǎn)荒料率遠(yuǎn)低于18%的工業(yè)指標(biāo)，導(dǎo)致業(yè)主投資失誤。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該礦山花崗巖內(nèi)節(jié)理密度極高，老采場(chǎng)調(diào)查節(jié)理裂隙主要有三組，第一組產(chǎn)狀145°∠80°，節(jié)理密度為1.3條/m；第二組產(chǎn)狀340°∠70°，節(jié)理密度為0.4條/m；第三組產(chǎn)狀225°∠50°，節(jié)理密度為0.5條/m。平面上礦區(qū)北側(cè)100m及南側(cè)100m各存在一條斷裂帶，對(duì)礦體產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。垂直方向上鉆探巖心內(nèi)節(jié)理密度多為1.05～1.85條/m，局部區(qū)域?yàn)?.13～0.55條/m。

表1 節(jié)理發(fā)育程度分類表

(2)福建某飾面用花崗巖礦山：地質(zhì)技術(shù)人員在勘查過(guò)程中未詳細(xì)分析礦體內(nèi)節(jié)理密度往深部的變化情況，在節(jié)理密度明顯高于全區(qū)平均水平的區(qū)域開(kāi)展了試采工作，估算出試采荒料率為23%，但在后續(xù)多年中隨著開(kāi)采面的下降，礦山實(shí)際生產(chǎn)荒料率高達(dá)40%以上?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該礦山已全面開(kāi)拓，礦體內(nèi)節(jié)理密度較低，老采場(chǎng)節(jié)理裂隙主要3組，第一組產(chǎn)狀140°∠75°，節(jié)理密度為0.09條/m；第二組產(chǎn)狀35°∠60°，節(jié)理密度為0.13條/m；第三組產(chǎn)狀240°∠50°，節(jié)理密度為0.13條/m。

綜上所述，節(jié)理密度與荒料率呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，節(jié)理密度對(duì)于礦山開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性影響十分重大。地質(zhì)勘查工作對(duì)節(jié)理密度分析不夠細(xì)致，圖解荒料選點(diǎn)代表性不足，常導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)荒料率與勘查報(bào)告中理論荒料率偏差較大[10]，以至于對(duì)礦山評(píng)價(jià)不夠準(zhǔn)確。

3 節(jié)理密度作為輔助圈礦指標(biāo)的探討

節(jié)理密度是圈定節(jié)理密集區(qū)的主要依據(jù)，而節(jié)理密集區(qū)與節(jié)理非密集區(qū)的定量界線(礦與非礦)若按1條/m[9]作為輔助圈礦指標(biāo)是否適用于每個(gè)礦山，還值得探討。以福建省龍巖市某“永定紅”飾面用花崗巖礦山作為模型，嘗試?yán)碚撏扑愠隹勺鳛檩o助圈礦指標(biāo)的節(jié)理密度。

3.1 建立模型的思路

石材礦床找礦過(guò)程中，常由于第四系覆蓋以及地表風(fēng)化層影響，鉆探作為了解礦體深部的主要探礦手段。但通過(guò)鉆探獲得的巖心無(wú)法準(zhǔn)確判斷節(jié)理的產(chǎn)狀方位，僅能統(tǒng)計(jì)節(jié)理的密度及傾角，很難準(zhǔn)確進(jìn)行深部荒料率統(tǒng)計(jì)。本文根據(jù)采場(chǎng)上調(diào)查的節(jié)理特征，建立模型，套用到鉆探工程中，估算出垂直方向(鉆孔方向)可作為輔助圈礦指標(biāo)的節(jié)理密度。具體思路為：根據(jù)已有采場(chǎng)調(diào)查節(jié)理在垂直方向上(與鉆探工程對(duì)應(yīng))發(fā)育的特征、密度、頻率，建立該礦山節(jié)理裂隙分布模型。假設(shè)各節(jié)理出現(xiàn)的頻率不變，套用不同的節(jié)理密度，估算理論荒料率(節(jié)理頻率不變、不同密度時(shí))。得出接近工業(yè)指標(biāo)荒料率18%時(shí)節(jié)理密度，將其作為該鉆孔內(nèi)礦體圈礦的參考指標(biāo)，指導(dǎo)勘查工作。

3.2 模型的建立

以某“永定紅”礦山為例，在礦區(qū)老采場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，節(jié)理裂隙主要有3組(表2)。根據(jù)以上節(jié)理裂隙分布頻率，分別假設(shè)鉆孔內(nèi)揭露到節(jié)理裂隙密度為0.5條/m、0.75條/m、1.0條/m時(shí)，各自建立的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)理裂隙分布模型，根據(jù)模型圖解理論荒料率。圖解荒料率充分考慮機(jī)械開(kāi)采過(guò)程中軌道的布設(shè)、理想的切割條件[11]，平面上逐層往下開(kāi)采，以垂直于斷裂最發(fā)育的1號(hào)斷裂傾向方向推進(jìn)。圖解模型長(zhǎng)寬均為16m，臺(tái)段高度為1m，圖解荒料大小按照勘查規(guī)范[7]中的三種規(guī)格(245mm×100mm×150mm、185mm×60mm×95mm、65mm×40mm×70mm)，同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的荒料損失率約5%。

表2 采場(chǎng)(鉛垂方向高54m)節(jié)理頻率統(tǒng)計(jì)

3.3 結(jié)果與討論

根據(jù)該“永定紅”礦山節(jié)理裂隙的頻率特征建立的模型(圖1、表3)，可發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙密度與荒料率呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)當(dāng)節(jié)理裂隙密度增大，開(kāi)采大規(guī)格的荒料量也隨之減少。根據(jù)模型估算出：當(dāng)鉆孔揭露到節(jié)理裂隙密度為0.5條/m時(shí)，該鉆孔揭露區(qū)域圖解荒料率為44.1%；當(dāng)節(jié)理裂隙密度為0.75條/m時(shí)，圖解荒料率為32.3%，其中大+中規(guī)格荒料率為18.5%；當(dāng)節(jié)理裂隙密度為1.0條/m時(shí)，圖解荒料率為18.1%，但已無(wú)法開(kāi)采大規(guī)格荒料。

表3 各模型圖解荒料率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

因此，本文認(rèn)為該“永定紅”礦山勘查過(guò)程中，可以以鉆孔內(nèi)節(jié)理裂隙密度小于1條/m(圖解荒料率18.1%)作為邊界圈礦指標(biāo)參考值，以小于0.75條/m(圖解大+中料荒料率18.5%)作為工業(yè)圈礦指標(biāo)參考值。同時(shí)建議未來(lái)每個(gè)礦山勘查中，可以根據(jù)各自節(jié)理特征，建立相對(duì)應(yīng)的模型，估算出可作為圈礦指標(biāo)參考值的節(jié)理密度，并增加評(píng)價(jià)單工程平均節(jié)理密度、剖面平均節(jié)理密度、塊段平均節(jié)理密度、礦體平均節(jié)理密度(類似平均品位)，以更好評(píng)價(jià)礦山經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)論

(1)風(fēng)化作用及節(jié)理是破壞花崗巖礦床的主要因素之一。其中風(fēng)化作用對(duì)礦體破壞主要表現(xiàn)為巖石破碎、內(nèi)部出現(xiàn)高嶺土化、綠泥石化、褐鐵礦化等，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低、變色；節(jié)理密集發(fā)育嚴(yán)重影響礦體的完整程度，使礦體荒料率降低。

(2)在花崗巖的節(jié)理中，張節(jié)理是導(dǎo)致飾面用花崗巖荒料率降低的主要節(jié)理。張節(jié)理雖然延伸短，但密度高，對(duì)礦體破壞程度最大；剪節(jié)理雖然延伸長(zhǎng)，但密度低，對(duì)礦體破壞程度一般；微節(jié)理一般分布在上述兩種節(jié)理邊部，破壞范圍較小。

(3)節(jié)理密度是影響礦體荒料率的最重要因素，兩者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在石材礦山勘查過(guò)程中，要重視節(jié)理發(fā)育密度值的統(tǒng)計(jì)分析，節(jié)理密度值可作為評(píng)價(jià)飾面用花崗巖的圈礦參考值，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)飾面石材礦具有一定現(xiàn)實(shí)意義。