四川寶興志留系飾面用大理巖特征

劉 亮, 余長榮, 趙相國

(1.四川省地質礦產勘查開發局川西北地質隊，綿陽 621010；2.攀枝花市自然資源和規劃局，攀枝花 617000)

大理巖為碳酸鹽巖經區域變質作用或接觸變質作用形成,其運用廣泛[1-6],而作為飾面用大理巖產出時代以古生代為主,元古代和中生代次之。雖然其產出層位較多,但20世紀80年代以前,地質工作中大理巖僅視為一般巖石,未歸入礦產資源進行評價,地質工作程度較低。近年來隨著社會經濟的發展和國內外建筑飾面大理巖裝飾行業的興起,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”美譽的寶興縣,作為該縣的支柱產業,名貴石材品種達30余種,總儲量逾30×109m3。區內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。

傳統寶興縣飾面用大理巖主要產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,尤其是高品質的“寶興白”已出現嚴重資源不足的跡象[13]。尋找優質飾面用大理巖對保證地方支柱產業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、鉆探等系統工程控制并取樣分析,對其地質特征、物質組成、物理力學性質、放射性等進行了研究,探討作為飾面石材的可行性,并對其種類進行劃分。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利用提供依據和參考。

1 礦區地質

1.1 地層

研究區大地構造地處揚子準地臺西北部龍門山-大巴山臺緣坳陷、龍門山陷褶斷束、寶興穹褶斷束,地層區劃屬上揚子地層分區九頂山小區,區內出露志留系(S)、泥盆系(D)、第四系(Q)地層。

1.1.1 志留系

礦區志留系茂縣群(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):灰白色細晶灰巖,局部夾泥質灰巖,具細晶結構,塊狀構造。巖石中見方解石細脈和黃鐵礦晶體。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大理巖、紫紅色、灰綠色泥質粉砂巖。大理巖具細晶結構、層狀構造,巖石堅硬,斷口呈貝殼狀構造,為優質飾面用大理巖,厚400～452 m；白云質大理巖具細晶結構、塊狀結構,表面刀砍紋發育,巖石中見方解石細脈,厚5～20 m；泥質粉砂巖具粉砂結構、薄層狀構造,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晶灰巖,細晶灰巖層厚一般為4～5 m；中部為灰色石英細砂巖,具細粒結構、中厚層狀構造,局部夾泥質灰巖；下部為灰白色變石英砂巖,變晶結構,中厚層狀構造,具硅化。底部為絹云母片巖，厚度為348 m。

1.1.2 泥盆系

(1)泥盆系下統捧達組(D1p),下段(D1p1)為淺灰-灰白色石英砂巖,夾薄層粉、細砂巖,具細粒結構,中厚層構造,厚為94.86 m。上段(D1p2)為灰黑色頁巖、淺灰色灰巖、黑灰色泥質灰巖、深灰色硅質灰巖不等厚互層。頁巖為薄層狀構造,頁理發育,層厚為0.8～1.0 m；灰巖具微晶結構、中厚層構造；泥質灰巖具細晶結構、中厚層構造；硅質灰巖具細晶結構,塊狀構造,巖石堅硬,方解石脈發育，厚為297.70 m。

(2)泥盆系中統河心組(D2h)為淺灰色中厚層狀灰巖、泥質灰巖夾巖屑灰巖,具微晶-細晶結構、中厚層構造，厚為484.24 m。

1.1.3 第四系(Qh)

第四系不發育,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 構造

研究區位于金湯弧形構造帶(圖1),中樑子倒轉向斜的東翼,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被中斷。礦區內長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),按飾面石材標準和巖性特征,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,在干溝南側為Ⅰ-1、Ⅱ-1號礦體；北側為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大理巖。礦層之間為深灰色泥質粉砂巖。

Ⅰ-1號礦體產于茂縣群二段(SM2),為白色大理巖,賦存標高2 390～2 544 m。呈中厚層狀-塊狀產出，經7條探槽(TC0、TC1、TC2、TC3、TC4、TC7、TC9)和3個鉆孔(ZK001、ZK301、ZK401)控制,礦體產狀為傾向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號礦體產于茂縣群二段(SM2),為灰白-白色大理巖,賦存標高2 240～2 385 m,呈厚層狀-塊狀產出,經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號礦體產于茂縣群二段(SM2),為灰白色大理巖夾褐紫紅色白云質大理巖,賦存標高2 110～2 157 m,呈厚層狀-塊狀產出,產狀164°∠38°,經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號礦體產于茂縣群二段(SM2),為灰白色大理巖夾褐紫紅色白云質大理巖，賦存標高2 010～2 084 m，呈厚層狀-塊狀產出，產狀280°∠54°。經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。

研究區礦體屬于沉積變質碳酸鹽巖類—粉晶-細晶大理巖。據礦石產出的地質特征,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、結構構造較均一,厚度在1 m以上,該類礦石約占41%左右,其質量高,成塊性好,為開采優質石料的重點對象[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果,與其所含的礦物成份密切相關。大理巖礦石色澤多為漸變過渡關系,無明顯規律。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。根據探槽和鉆孔取樣對比,顏色沿走向變化較小。經與附近已開發礦山商業品種對比,結合礦區實際,對礦區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,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,粒度細小均勻,質地細膩、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,粒度細小均勻,質地細膩、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 礦石結構及物質組成

礦石結構及物質組成是影響其物理性質的關鍵因素。大理巖中的方解石結晶顆粒較均勻,粒徑為0.1～0.3 mm,以微粒-細粒結構、微粒變晶結構為主,少數纖狀變晶結構、半自形-自形粒狀鑲嵌結構，致密塊狀、變余層理構造,局部條帶狀構造。

據薄片鑒定結果,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、砂質、絹云母、黃鐵礦等。具粉-細晶結構、粒狀變晶結構、條帶狀構造,內部可見團塊狀的重結晶現象；方解石呈微晶、細晶,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；砂質為粉-細粒的石英、長石顆粒,呈次棱角狀,粒度為0.04～0.3 mm；泥質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構面分布；黃鐵礦則呈星點狀產出,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則凹坑,對板材質量有一定影響。

3.3 礦石化學組分

化學組分是研究礦石用途的基礎,決定了礦石的性質和用途。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,統計分析結果如表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%。該礦段大理巖礦質純,CaO、MgO含量高,組分均一,含雜質少。巖石中除與Fe2O3、Al2O3含量微有差別外,其余組分含量、化學成分的差異對飾面石材質量無明顯影響。大理巖化學成分在地表(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。據化學組分分析,研究區大理巖可用于水泥、鈣粉、骨料等用途。

表2 大理巖化學分析結果Table 2 Chemical analysis results of marble

3.4 礦石物理力學性質

3.4.1 礦石天然密度、吸水率

礦區共采集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,通常情況下質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。由四川省建材產品質量監督檢驗中心和四川省建筑工程質量檢測中心測試。巴氏硬度是指其抵抗其他物體機械侵入的能力,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,與物質成分、結構構造、抗壓強度等密切相關[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和加工質量的重要指標,取決于組成石材的礦物的顏色、結構、結晶程度、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、光澤度測試結果Table 4 Test results of babbitt hardness, wear resistance and glossiness

3.4.3 大理巖力學性質

抗壓強度是以邊長為50 mm的立方體試塊吸水飽和狀態下的抗壓極限強度平均值；抗折強度比抗壓強度小[16],為抗壓強度的1/20～1/10,是典型的脆性材料。研究區共采集10組力學樣品,由川西北地質工程勘察院巖土測試中心測試,大理巖抗壓強度為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。抗壓強度測試結果表明,研究區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。抗折強度為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 大理石物理力學測試結果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個品種的放射性進行了檢測(表6),由四川省建筑工程質量檢測中心測試。根據《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)及《民用建筑工程室環境污染控制規范》(GB 50325—2010)的要求,裝飾材料中天然放射性標準限量內照射指數IRa≤1.0和外照射指數Ir≤1.3的要求為A類裝飾材料,A類裝飾材料的產銷和使用范圍不受限制。

表6 大理石放射性測試結果Table 6 Test results of marble radioactivity

研究區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,達到A類裝飾材料要求,其產銷和使用范圍不受限制。

4 結論

(1)研究區飾面大理巖賦存于志留系茂縣群中部,出露標高2 010～2 544 m,含礦巖層厚度大,綿延數十公里,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,飽和抗壓強度在39.57～106.60 MPa,抗折強度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。大理巖礦質細膩,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。為該地區志留系大理巖的開發利用提供參考和依據。