風化作用及節理對飾面用花崗巖礦床的影響

葉孔凱

(中國建筑材料工業地質勘查中心福建總隊，福建 福州 350001)

我國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于印支—華力西期的受到構造運動期次更少、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。花崗巖一般形成深度大于10km[1]，在地質構造運動作用下逐漸出露于地表，后再受到風化作用形成當今模樣。構造運動產生的大量節理破壞了花崗巖完整性，風化作用改變花崗巖表層巖石性能，其對飾面用花崗巖礦床均起到較大的破壞作用，對礦床開采價值影響巨大。通過調查福建省8個飾面用花崗巖礦山、10余個采場，查看了3 000余米鉆探巖心，研究探討風化作用及節理對飾面用花崗巖礦床的影響，對評價飾面用花崗巖礦床具有一定的現實意義。

1 風化作用對飾面用花崗巖礦床的影響

風化作用直接破壞了花崗巖礦體表層的巖石性能，使巖石強度降低、顏色變化、雜質增多。導致風化作用的主要因素有：太陽輻射、地表水、氣及其他化學元素等。根據風化作用的特性，進一步可分為物理風化及化學風化作用。

(1)物理風化作用的影響。

物理風化作用導致花崗巖內節理增多、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節理，這種節理主要發育于近地表。冰劈作用：水進入裂隙后，在溫差影響下循環地產生冰劈作用(水結成冰，體積增大，產生應力)，使節理擴大、加深且密度加大，導致花崗巖被破壞呈碎塊狀，降低花崗巖強度。電子躍遷：太陽輻射還常使花崗巖中致色電子獲得足夠的能量發生躍遷，導致石材褪變色[2]。

(2)化學風化作用的影響。

化學風化作用是由于水、空氣等通過節理通道與花崗巖直接接觸，發生水化、氧化反應，產生綠泥石、高嶺石、褐鐵礦等礦物，導致花崗巖強度降低、顏色變化及斑點變多。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-長期與花崗巖中的長石礦物發生水化反應，產生高嶺土化[3-4]，使得花崗巖花色變淺，呈灰白色。風化殼內越靠近表層高嶺土化越強烈，如強風化層中，由于節理密集發育，巖石變色為灰白色，強度極低(圖1a)，一捏即碎。在弱—微風化層中，高嶺土化僅發育裂隙兩側，一般厚度僅1～10mm，破壞程度較低。綠泥石化：花崗巖中的長石 (斜長石為主)、云母、角閃石和輝石等在氧氣及含鋁質水的作用下發生氧化反應，使礦物轉化為綠泥石。由于綠泥石硬度較低，在綠泥石化強烈區域，巖石強度會明顯降低，同時綠泥石化作用改變了花崗巖石材的原有花色，呈現草綠色斑點，如果斑點分布凌亂、不均勻，將嚴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礦物在水化和氧化共同反應下，產生褐鐵礦。褐鐵礦化改變了花崗巖花色，呈現黃色斑點。與“銹石”不同的是，風化作用導致的褐鐵礦化十分不均勻，常僅在節理發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 化學風化作用對飾面用花崗巖的影響

2 節理對礦體的影響

節理是影響花崗巖礦體完整程度的主要因素之一，直接關系到礦山開采的荒料率，對礦山經濟價值至關重要。

2.1 節理的分類

不同類型的節理對飾面用花崗巖礦影響程度不同。一般地質工作中，按照節理的力學性質分為張節理和剪節理，同時還有一類常被忽視的微節理。

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

在福建省“永定紅”花崗巖石材調查區內，揭露到張節理一般節理面寬度0.5～10cm，節理內常出現巖石破碎或脈巖充填，長度一般1～23m，節理間距一般1.8～3.1m，對礦體破壞程度大。剪節理一般呈閉合狀，常形成次生羽裂，長度一般70～100m，節理間距一般23～45m，一般貫穿整個采場，對礦體破壞程度一般。微節理主要出現在較大的節理邊部，對礦體影響范圍最小。

2.2 節理密度對飾面石材評價的影響

節理密度是反應巖石內節理發育程度的重要因素，對飾面石材荒料率影響重大，同時也是圈定節理密集區的主要依據。DZ/T 0291-2015/XG1-2020《飾面石材礦產地質勘查規范》[8]中規定一般中檔的飾面石材荒料率不低于18%，并要求圈出節理密集區。部分地質技術人員對于節理密度統計不細致，忽視了節理密集區的劃分或劃分不準確，常影響礦體評價的準確性。下面列舉兩個實例，說明節理密度對評價飾面用花崗巖礦的影響。

(1)福建某飾面用花崗巖礦山：由于地質技術人員未詳細統計節理密度，按土木工程地質中節理分類標準[9]將節理較發育類型(表1)的花崗巖圈定為礦體，同時圖解荒料率選點不均勻，雖地質報告估算出理論荒料率為20%，但實際生產荒料率遠低于18%的工業指標，導致業主投資失誤。現場調查發現：該礦山花崗巖內節理密度極高，老采場調查節理裂隙主要有三組，第一組產狀145°∠80°，節理密度為1.3條/m；第二組產狀340°∠70°，節理密度為0.4條/m；第三組產狀225°∠50°，節理密度為0.5條/m。平面上礦區北側100m及南側100m各存在一條斷裂帶，對礦體產生嚴重破壞。垂直方向上鉆探巖心內節理密度多為1.05～1.85條/m，局部區域為0.13～0.55條/m。

表1 節理發育程度分類表

(2)福建某飾面用花崗巖礦山：地質技術人員在勘查過程中未詳細分析礦體內節理密度往深部的變化情況，在節理密度明顯高于全區平均水平的區域開展了試采工作，估算出試采荒料率為23%，但在后續多年中隨著開采面的下降，礦山實際生產荒料率高達40%以上。現場調查發現：該礦山已全面開拓，礦體內節理密度較低，老采場節理裂隙主要3組，第一組產狀140°∠75°，節理密度為0.09條/m；第二組產狀35°∠60°，節理密度為0.13條/m；第三組產狀240°∠50°，節理密度為0.13條/m。

綜上所述，節理密度與荒料率呈明顯負相關關系，節理密度對于礦山開采經濟性影響十分重大。地質勘查工作對節理密度分析不夠細致，圖解荒料選點代表性不足，常導致實際生產荒料率與勘查報告中理論荒料率偏差較大[10]，以至于對礦山評價不夠準確。

3 節理密度作為輔助圈礦指標的探討

節理密度是圈定節理密集區的主要依據，而節理密集區與節理非密集區的定量界線(礦與非礦)若按1條/m[9]作為輔助圈礦指標是否適用于每個礦山，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，嘗試理論推算出可作為輔助圈礦指標的節理密度。

3.1 建立模型的思路

石材礦床找礦過程中，常由于第四系覆蓋以及地表風化層影響，鉆探作為了解礦體深部的主要探礦手段。但通過鉆探獲得的巖心無法準確判斷節理的產狀方位，僅能統計節理的密度及傾角，很難準確進行深部荒料率統計。本文根據采場上調查的節理特征，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的節理密度。具體思路為：根據已有采場調查節理在垂直方向上(與鉆探工程對應)發育的特征、密度、頻率，建立該礦山節理裂隙分布模型。假設各節理出現的頻率不變，套用不同的節理密度，估算理論荒料率(節理頻率不變、不同密度時)。得出接近工業指標荒料率18%時節理密度，將其作為該鉆孔內礦體圈礦的參考指標，指導勘查工作。

3.2 模型的建立

以某“永定紅”礦山為例，在礦區老采場調查發現，節理裂隙主要有3組(表2)。根據以上節理裂隙分布頻率，分別假設鉆孔內揭露到節理裂隙密度為0.5條/m、0.75條/m、1.0條/m時，各自建立的標準節理裂隙分布模型，根據模型圖解理論荒料率。圖解荒料率充分考慮機械開采過程中軌道的布設、理想的切割條件[11]，平面上逐層往下開采，以垂直于斷裂最發育的1號斷裂傾向方向推進。圖解模型長寬均為16m，臺段高度為1m，圖解荒料大小按照勘查規范[7]中的三種規格(245mm×100mm×150mm、185mm×60mm×95mm、65mm×40mm×70mm)，同時考慮實際生產過程中的荒料損失率約5%。

表2 采場(鉛垂方向高54m)節理頻率統計

3.3 結果與討論

根據該“永定紅”礦山節理裂隙的頻率特征建立的模型(圖1、表3)，可發現節理裂隙密度與荒料率呈明顯負相關關系，同時當節理裂隙密度增大，開采大規格的荒料量也隨之減少。根據模型估算出：當鉆孔揭露到節理裂隙密度為0.5條/m時，該鉆孔揭露區域圖解荒料率為44.1%；當節理裂隙密度為0.75條/m時，圖解荒料率為32.3%，其中大+中規格荒料率為18.5%；當節理裂隙密度為1.0條/m時，圖解荒料率為18.1%，但已無法開采大規格荒料。

表3 各模型圖解荒料率統計結果

因此，本文認為該“永定紅”礦山勘查過程中，可以以鉆孔內節理裂隙密度小于1條/m(圖解荒料率18.1%)作為邊界圈礦指標參考值，以小于0.75條/m(圖解大+中料荒料率18.5%)作為工業圈礦指標參考值。同時建議未來每個礦山勘查中，可以根據各自節理特征，建立相對應的模型，估算出可作為圈礦指標參考值的節理密度，并增加評價單工程平均節理密度、剖面平均節理密度、塊段平均節理密度、礦體平均節理密度(類似平均品位)，以更好評價礦山經濟價值。

4 結論

(1)風化作用及節理是破壞花崗巖礦床的主要因素之一。其中風化作用對礦體破壞主要表現為巖石破碎、內部出現高嶺土化、綠泥石化、褐鐵礦化等，導致巖石強度降低、變色；節理密集發育嚴重影響礦體的完整程度，使礦體荒料率降低。

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

(3)節理密度是影響礦體荒料率的最重要因素，兩者呈明顯的負相關關系。在石材礦山勘查過程中，要重視節理發育密度值的統計分析，節理密度值可作為評價飾面用花崗巖的圈礦參考值，對科學評價飾面石材礦具有一定現實意義。