風(fēng)化花崗巖礦物組成與滲透特性相關(guān)性研究

張翼宇， 黃志全,2， 趙菲， 袁廣祥， 王洪建， 冉濤

(1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

花崗巖是組成地球大陸殼的主要成分，中國花崗巖分布十分廣泛，出露面積達(dá)到86×104km2。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家投入越來越多的大型工程項目，花崗巖因其具有高致密性、高強度和低滲透性等特點，常作為資源貯存、高放射性廢料處置、各種中大型工程設(shè)施等的優(yōu)良選址，受到廣泛關(guān)注。日本、韓國、新加坡等國家常將地下油庫修建在花崗巖環(huán)境中，我國約1/3的地下油庫選址以花崗巖作為圍巖[1]。高放射性廢物的合理處置事關(guān)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保等問題，瑞典、芬蘭等國家選擇花崗巖區(qū)作為高放射性廢物處置地，我國首要高放射性廢物處置庫區(qū)——甘肅北山即為花崗巖預(yù)選區(qū)[2]。水利水電工程要求壩基具有較好的力學(xué)強度、低滲透性、高穩(wěn)定性，花崗巖能較好地滿足這些條件，我國許多水電站選址均在花崗巖地區(qū)。因此，研究花崗巖的工程特性具有重要意義。

王思敬[3-4]提出巖石物質(zhì)性的概念，把礦物成分形象地比喻為巖體的“細(xì)胞”，指出巖體的演化可以看作巖體在風(fēng)化、蝕變作用下，物質(zhì)性逐漸惡化的過程。吳宏偉等[5]收集了香港九龍地區(qū)150個風(fēng)化花崗巖樣本進(jìn)行化學(xué)分析獲取礦物成分，對比觀察風(fēng)化程度，建立了一套巖體風(fēng)化定級體系；后對香港九龍地區(qū)3個工地取樣149個不同風(fēng)化程度的巖芯進(jìn)行化學(xué)分析，提出花崗巖風(fēng)化過程中鈉長石先風(fēng)化成高嶺石，而后是鉀長石、石英[6]。王彥華等[7]對花崗巖進(jìn)行X-射線衍射、掃描電子顯微鏡及能譜、高分辨透射電子顯微鏡等分析,研究了黑云母在花崗巖風(fēng)化中的變化機制。礦物成分的變異與演化決定了巖體物質(zhì)性的變化，以往的研究較多集中于礦物成分演變對巖體力學(xué)強度影響方面[8-16]，而針對巖體水理性質(zhì)的研究也多注重微觀結(jié)構(gòu)特性的影響[17-18]，對于礦物組成影響巖體滲透特性方面的研究相對較少。本文就不同風(fēng)化程度花崗巖的礦物組成及滲透性質(zhì)展開研究，旨在揭示花崗巖風(fēng)化過程中，滲透系數(shù)與各礦物組成的相關(guān)性，為五岳上水庫采取防滲措施提供參考。

1 試樣選取

試驗樣品選自五岳水庫上水庫區(qū)兩處鉆孔巖芯，孔深為100 m。鉆孔內(nèi)不同風(fēng)化程度花崗巖均有出露，本次試驗取樣微風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖各4組，各取1組進(jìn)行X-射線衍射和掃描電子顯微鏡鑒定礦物組成，各取3組進(jìn)行巖體滲透試驗，獲取其滲透參數(shù)。

現(xiàn)行巖體風(fēng)化程度定級的主流方法是現(xiàn)場觀測法和定量法，本文以現(xiàn)場聲波測試數(shù)據(jù)換算得到的波速比為主要依據(jù)，以現(xiàn)場觀測為參考，按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[19]對巖芯試樣進(jìn)行風(fēng)化分級。該規(guī)范定義風(fēng)化巖體波速與新鮮巖體波速的比值為波速比(式1)，并給出了定級指標(biāo)，見表1。

表1 巖體風(fēng)化程度分級[19]

Ki=Vi/Vmax。

(1)

式中：Ki為波速比；Vi為風(fēng)化巖體波速；Vmax為新鮮巖體波速。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣選取，取樣結(jié)果如圖1所示和見表2。

圖1 巖芯取樣結(jié)果

表2 取樣深度及相關(guān)參數(shù)

2 薄片及X射線測試

參照《地質(zhì)礦產(chǎn)實驗室測試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130.9—2006)，將選用3種風(fēng)化程度的巖樣切割制成薄片，通過偏光顯微鏡觀察樣本礦物組成及其特征。按照《轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法規(guī)范》(JY/T 009—1996)，通過衍射儀進(jìn)行鑒定，鑒定結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可知，微風(fēng)化樣本X-1呈淺灰色，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要是鉀長石、斜長石和石英，含黑云母。鉀長石呈半自形、他形粒狀，粒徑0.2～2.8 mm，較大者為斑晶，可見格子狀雙晶，可見環(huán)帶狀構(gòu)造，普遍具鈉長石條紋，弱黏土化。斜長石呈半自形粒狀，粒徑0.2～2.8 mm，聚片雙晶發(fā)育，被黏土礦物、白云母輕微交代。石英呈他形粒狀，粒徑0.2～5.2 mm，較大者為斑晶，具波狀消光。黑云母呈鱗片狀，粒徑0.1～1.2 mm，褐色，多色性、吸收性一般，輕微被綠泥石和白云母交代。

由圖2(b)可知，弱風(fēng)化樣本X-2呈淺灰色，中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要是鉀長石、斜長石和石英，含少量黑云母。鉀長石呈他形粒狀，粒徑0.2～4.4 mm，可見卡式雙晶，可見環(huán)帶狀構(gòu)造，普遍具鈉長石條紋，被黏土礦物、白云母交代。斜長石呈半自形粒狀，粒徑0.2～4.6 mm，聚片雙晶發(fā)育，被黏土礦物、絹云母、白云母交代。石英呈他形粒狀，粒徑0.2～4.8 mm，具波狀消光。黑云母呈鱗片狀，粒徑0.1～0.8 mm，褐色，多色性、吸收性顯著，被綠泥石交代。

圖2 不同風(fēng)化程度花崗巖薄片及礦物組成

由圖2(c)可知，強風(fēng)化樣本X-3呈肉紅色，二長結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要是鉀長石、斜長石和白云母。鉀長石呈他形粒狀，粒徑0.1～3.4 mm，被黏土礦物交代，蝕變較強烈。斜長石呈半自形粒狀，粒徑0.1～2.6 mm，聚片雙晶發(fā)育，被黏土礦物、白云母交代，蝕變較強。白云母呈鱗片狀，粒徑0.1～3.0 mm，無色，近平行消光，鮮艷干涉色。

對比分析各風(fēng)化程度的花崗巖礦物成分相對含量的變化，可知：隨著風(fēng)化作用的加強，斜長石、鉀長石的相對含量呈穩(wěn)定減少的趨勢；石英含量則相對穩(wěn)定，稍有波動；云母相對含量穩(wěn)定增長，而黑云母相對含量逐步減少至全部風(fēng)化。參考鮑文反應(yīng)序列，花崗巖主要礦物成分風(fēng)化的先后順序應(yīng)為黑云母、斜長石、鉀長石、石英。又有研究指出，風(fēng)化環(huán)境的不同也可能導(dǎo)致風(fēng)化順序、過程、產(chǎn)物出現(xiàn)差異[20-21]。這是因為，巖體的化學(xué)風(fēng)化作用是一個復(fù)雜的過程，它包括水合、淋濾、水解、氧化等過程，每一個過程都受到反應(yīng)環(huán)境的影響[22]。

黑云母在新鮮花崗巖中即開始風(fēng)化，一般風(fēng)化的中間產(chǎn)物為蛭石和綠泥石，最終產(chǎn)物為黏土礦物伊利石或綠泥石與高嶺石、氧化鐵。在五岳水庫庫區(qū)花崗巖中沒有觀測到蛭石的存在，推測該地區(qū)黑云母風(fēng)化過程為：黑云母風(fēng)化成綠泥石，進(jìn)一步風(fēng)化成綠泥石、黏土礦物和氧化鐵。觀察發(fā)現(xiàn),在微風(fēng)化至弱風(fēng)化階段，斜長石、鉀長石受風(fēng)化作用相對較弱，到強風(fēng)化階段則逐漸增強，風(fēng)化過程為長石風(fēng)化成絹云母，最終風(fēng)化成高嶺石、黏土礦物。石英化學(xué)成分簡單、質(zhì)地堅硬、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受風(fēng)化作用影響不明顯。

3 滲透系數(shù)測定

選取微風(fēng)化、弱風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖各3組，試樣編號為A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、C-1、C-2、C-3，共計9個樣品，制成高度50 mm、直徑50 mm的圓柱體試樣。參照《煤和巖石滲透系數(shù)測定方法》(MT 224—1990)，通過滲透系數(shù)測試儀HP-4.0測量樣品滲透系數(shù)。

將試樣放入105～110 ℃的干燥箱內(nèi)干燥處理24 h，然后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫。試驗開始前用鋼柱代替試樣進(jìn)行預(yù)測，檢驗裝置完好。依次加軸向荷載至約15 kN、圍壓12 MPa及滲水壓力10 MPa。滲水壓力P穩(wěn)定在10 MPa后，待滲出水流穩(wěn)定時，用量筒測量滲水體積，同時記錄對應(yīng)時刻T。然后，依據(jù)式(2)計算滲透系數(shù)。

滲透系數(shù)計算公式：

(2)

式中:Ki為試樣滲透系數(shù)，cm/s；Q為滲流量，mL/s；H為試樣高度，mm；P為滲水壓力，Pa；A為試樣橫截面積，mm2；V為滲水體積，mL；T為滲水時刻，s；ρW為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

試驗結(jié)果見表3。由表3可知，風(fēng)化作用對于花崗巖滲透系數(shù)的影響較為明顯。微風(fēng)化花崗巖平均滲透系數(shù)為3.18×10-6cm/s，弱風(fēng)化花崗巖平均滲透系數(shù)2.32×10-5cm/s，強風(fēng)化花崗巖的平均滲透系數(shù)為4.40×10-4cm/s。試驗結(jié)果表明：不同風(fēng)化程度的花崗巖滲透系數(shù)相差以量級計算，充分說明風(fēng)化作用對于花崗巖的滲透特性影響顯著;試樣A-3與A-1、A-2滲透系數(shù)相差較大，推測原因為試樣存在較大裂隙所致。

表3 滲透試驗結(jié)果

國內(nèi)有學(xué)者通過對風(fēng)化花崗巖進(jìn)行大量滲水、注水、壓水、抽水及室內(nèi)滲透試驗等給出了不同風(fēng)化程度花崗巖滲透系數(shù)參考值(表4)，以此為參考，與本次滲透試驗進(jìn)行對照，證明試驗結(jié)果合理。

表4 風(fēng)化花崗巖滲透系數(shù)參考值[23]

試樣滲透系數(shù)的變化主要受到巖體內(nèi)裂隙發(fā)育情況的控制。化學(xué)風(fēng)化改變礦物成分，物理風(fēng)化改變顆粒的結(jié)構(gòu)、形狀、大小等。因此，風(fēng)化作用對于巖體滲透性的影響較大。結(jié)合現(xiàn)場觀測，新鮮花崗巖內(nèi)發(fā)育少量不連通原生裂隙，無法充當(dāng)滲漏通道。微風(fēng)化階段：花崗巖中斜長石、鉀長石輕微風(fēng)化，出現(xiàn)連通裂隙，黑云母也逐漸分解為綠泥石，故微風(fēng)化花崗巖具有滲透性，但是滲透系數(shù)較小，僅為3.18×10-6cm/s。弱風(fēng)化階段：斜長石、鉀長石繼續(xù)風(fēng)化形成絹云母、黏土礦物等，黑云母加速分解為綠泥石，石英也出現(xiàn)輕微分解，巖體表面可以觀察到成組的裂隙，斷面有明顯水蝕痕跡，滲透系數(shù)增長到2.32×10-5cm/s，該值與花崗巖推薦滲透系數(shù)相近，可見，弱風(fēng)化花崗巖在庫區(qū)較為常見。強風(fēng)化階段：黑云母基本全部風(fēng)化為綠泥石，部分氧化為氧化鐵，斜長石、鉀長石加速風(fēng)化，石英也出現(xiàn)較為明顯的裂紋，晶界遭到破壞，巖體裂隙大量發(fā)育，巖體滲透系數(shù)迅速增長至4.40×10-4cm/s。

4 相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步研究花崗巖風(fēng)化作用與滲透性能的關(guān)系，通過曲線擬合對不同風(fēng)化程度礦物組分含量和滲透系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，獲得相關(guān)性系數(shù)。相關(guān)性系數(shù)是衡量兩個變量直接相互關(guān)系的參數(shù)，一般根據(jù)相關(guān)性系數(shù)可以認(rèn)為變量之間有正相關(guān)、無關(guān)、負(fù)相關(guān)等關(guān)系，若擬合優(yōu)度絕對值大于0.8，可以視為變量之間有較強的相關(guān)性。

結(jié)合前文所述，花崗巖的滲透特性主要由巖體裂隙發(fā)育情況主導(dǎo)，王思敬院士團(tuán)隊[24]指出巖體孔徑分布、顆粒組成和礦物成分是花崗巖微觀特征的主要方面，且三者之間又表現(xiàn)出一定的對應(yīng)性，而巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育與風(fēng)化作用息息相關(guān)。故本次研究擬通過礦物成分的變化來表征花崗巖的風(fēng)化程度，與滲透系數(shù)建立關(guān)系以說明風(fēng)化作用對花崗巖滲透特性的影響。將鉀長石、斜長石和黑云母含量與滲透系數(shù)用線性函數(shù)進(jìn)行擬合(石英含量變化較小不作考慮)，并與前人研究(文獻(xiàn)[6][23])進(jìn)行對比，擬合結(jié)果如圖3—5所示。

圖3—5顯示，各礦物成分與滲透系數(shù)擬合效果均較好。由于不同地區(qū)花崗巖種類不同，風(fēng)化過程中礦物成分含量的變化趨勢也有所不同，但兩種花崗巖的礦物含量與滲透系數(shù)均呈現(xiàn)較高的相關(guān)性。其中，樣本花崗巖鉀長石含量與滲透性系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.809，斜長石含量與滲透系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.565，黑云母含量與滲透性系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.855；參照花崗巖鉀長石含量與滲透性系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.988，斜長石含量與滲透系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.975，黑云母含量與滲透性系數(shù)的擬合優(yōu)度為0.912。3種礦物成分含量與滲透系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。其中，鉀長石、黑云母含量與滲透系數(shù)的相關(guān)性較好，斜長石的擬合效果一般。這一結(jié)果說明花崗巖風(fēng)化作用對滲透性的影響顯著，且花崗巖風(fēng)化過程中，鉀長石、斜長石、黑云母等化學(xué)穩(wěn)定性較差或一般的礦物的含量與滲透系數(shù)的變化具有一定的相關(guān)性。

圖3 鉀長石含量與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖4 斜長石含量與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖5 黑云母含量與滲透系數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)語

本文以河南省五岳抽水蓄能電站上水庫單薄分水嶺滲漏評價與防滲措施研究項目為依托，通過X-射線衍射薄片鑒定、室內(nèi)滲透試驗等研究了庫區(qū)內(nèi)不同風(fēng)化程度花崗巖礦物組成和滲透性的變化規(guī)律，為項目防滲設(shè)計提供了重要依據(jù)，也為類似的工程提供了參考。相關(guān)研究結(jié)論如下：

1)花崗巖風(fēng)化程度越高，鉀長石、斜長石、黑云母相對含量越少，石英含量僅有小幅波動，相對較為穩(wěn)定。

2)花崗巖的滲透性受風(fēng)化程度影響明顯，微風(fēng)化花崗巖滲透系數(shù)處于10-6cm/s量級，弱風(fēng)化花崗巖滲透系數(shù)處于10-5cm/s量級，強風(fēng)化花崗巖滲透系數(shù)處于10-4cm/s量級。

3)花崗巖各礦物成分含量的變化與滲透系數(shù)具有一定的相關(guān)性。鉀長石、斜長石和黑云母含量與滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)。其中，鉀長石、黑云母含量與滲透系數(shù)的擬合優(yōu)度均大于0.8，說明風(fēng)化作用對巖體滲透特性影響顯著。