鄭明雄，申岳龍

(1.昆明理工大學 計算中心，昆明 650500 2.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093)

1 概述

由于具有火成巖的物質(zhì)成分和沉積成巖過程，凝灰?guī)r是一種特殊的巖石。同時，很多凝灰?guī)r還是高膨脹易分解的特殊軟巖，分布十分廣泛。軟弱水敏凝灰?guī)r與很多金屬礦山緊密相關(guān)并對這些地區(qū)的勘查和開發(fā)產(chǎn)生十分不利的影響。有必要研究凝灰?guī)r的膨脹和分解機理，以對涉凝灰?guī)r工程應用提供參考。

貴州省興義市貞豐縣皂凡山毗鄰紫金礦業(yè)水銀洞金礦，與水銀洞金礦直線距離約4 km，保田項目部位于該地。該地區(qū)大地構(gòu)造位于華南褶皺系右江褶皺帶西延部分與楊子準地臺西南緣重合地帶，礦區(qū)是滇黔桂“金三角”系列卡林型金礦之一[1]。該地區(qū)出露凝灰?guī)r是一種典型遇水快速分解性凝灰?guī)r。凝灰?guī)r呈深灰色，灰質(zhì)細膩，在水中5分鐘內(nèi)完全分解，分解物呈較均勻的細微片狀和粉末狀。

目前，針對滇黔桂“金三角”地區(qū)和水銀洞地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查和研究較多[1-4]，認為該地區(qū)具有很好的卡林型金礦前景，但是對于該地區(qū)廣泛分布的遇水高分散性凝灰?guī)r的研究很少。在勘查鉆井時，凝灰?guī)r可能給鉆井帶來非常不利的影響，嚴重時可造成卡鉆，如云南瀾滄鉛礦即由于凝灰?guī)r發(fā)生卡鉆事故。故有必要認知皂凡山地區(qū)凝灰?guī)r的特性和分散機理，為涉凝灰?guī)r工程應用提供參考，在含凝灰?guī)r地區(qū)能及時采取有效的預防措施。同時，局部地點凝灰?guī)r分散性研究是研究區(qū)域高分散性凝灰?guī)r共性的一部分。

2 物質(zhì)因素

元素及礦物成分是凝灰?guī)r物理化學特性的基礎(chǔ)。選取典型凝灰?guī)r制成原樣粉末，分別進行XRD和XRF測試。XRF測試結(jié)果如表1所示，XRD檢測結(jié)果如表2所示。

表1 皂凡山凝灰?guī)r元素含量分析

由表1知，皂凡山凝灰?guī)r中主要元素為O、Si、Al、Fe、S、K，總的含量高達97%，可估計凝灰?guī)r中主要成分為石英、硅酸鹽礦物及黃鐵礦，其它成分占比較小。XRF僅可做定性參考，各礦物成分的比例由XRD測試定量確定(表2)。

表2 皂凡山凝灰?guī)r的主要礦物含量

根據(jù)XRD測試結(jié)果，皂凡山凝灰?guī)r中含有的礦物主要為石英、白云母、金云母、黃鐵礦及高嶺石，占絕對比例。其中白云母、金云母和高嶺石占40.5%，占比非常大。云母類礦物與黏土同屬硅酸鹽礦物，具有類似黏土的性質(zhì)，其與黏土一樣具有相近的礦物分子結(jié)構(gòu)、類似的微片層結(jié)構(gòu)、極強的親水性等性質(zhì)，其X衍射礦物特征峰與伊利石十分接近。白云母極易水化后轉(zhuǎn)變成伊利石，伊利石還可以向蒙脫石和高嶺石等高膨脹黏土礦物轉(zhuǎn)化[5-9]。高比例的硅酸鹽礦物和黏土礦物，是皂凡山凝灰?guī)r膨脹分解的最重要原因。

同時，由取樣現(xiàn)場凝灰?guī)r分布變化來看，山丘頂部坡面出露凝灰?guī)r質(zhì)地較純，沿坡向下凝灰?guī)r逐步粘土化。該現(xiàn)象與地勢低矮處水分含量相對較高有極大關(guān)系，云母水化中水扮演了重要角色，風化過程伴隨水化過程。黏土化對該地區(qū)的勘查鉆井工作極為不利，鉆井防塌應以防黏土和硅酸鹽分散為主。

另外，皂凡山凝灰?guī)r中含有較大比例的黃鐵礦。黃鐵礦是一種強還原性礦物，低價硫的氧化生成硫酸。pH測試表明，皂凡山凝灰?guī)r的水分解液的pH值可低至2，在云貴地區(qū)多處高分解性凝灰?guī)r中酸性最強，這與該地凝灰?guī)r中黃鐵礦比例較高有關(guān)。強酸對皂凡山凝灰?guī)r產(chǎn)生刻蝕作用，并進一步和其它礦物進行化合反應產(chǎn)生硫酸鹽，特別是FeSO4含量較高。硫酸及硫酸鹽在多水環(huán)境中溶解流失，溶蝕作用使得凝灰?guī)r骨架更松散、孔隙進一步發(fā)育。實際工程應用中，抗氧化措施可和疏水控水相結(jié)合。在鉆井液中多為堿性環(huán)境，故勘察鉆井時還需注意中和凝灰?guī)r帶來的強酸性。

3 微觀結(jié)構(gòu)因素

肉眼可見皂凡山凝灰?guī)r非常細膩均勻和致密，但是在水中分解特別快。由于凝灰?guī)r的遇水快速軟弱化，薄片不易制得并必然損壞巖石原生形態(tài)結(jié)構(gòu)，光學顯微鏡并不合適觀測凝灰?guī)r，采用SEM是最好的觀測方法。由SEM可見凝灰?guī)r的主要特征微結(jié)構(gòu)是片層結(jié)構(gòu)(圖1)，這是云貴地區(qū)高分界性凝灰?guī)r都有的微觀形態(tài)，是黏土礦物和類黏土礦物的典型結(jié)構(gòu)。能譜檢測結(jié)果表明(圖2)，片層元素主要為O、Si、Al以及少量的S、K，結(jié)合樣品的XRD檢測結(jié)果，可以推斷片層主要為云母。凝灰?guī)r內(nèi)部孔隙裂縫發(fā)育(圖3～4)。孔隙主要為礦物粒間孔，由火山玻璃質(zhì)脫?；纬珊脱趸芪g產(chǎn)生。

微片層結(jié)構(gòu)普遍存在于各地高膨脹易分解凝灰?guī)r中，片層結(jié)構(gòu)的強親水性礦物具有較大的毛管壓力，可使得水迅速進入凝灰?guī)r微結(jié)構(gòu)，不對稱的硅氧四八面體分子結(jié)構(gòu)遇水時微片具有卷曲力，使得凝灰?guī)r遇水迅速松散化而強度喪失，并伴隨孔隙的快速產(chǎn)生[10]。強親水性微片層結(jié)構(gòu)也是快速分解的重要原因。

圖1 凝灰?guī)r微片層結(jié)構(gòu)

圖2 單個微片的能譜測試

4 離子溶出因素

由于凝灰?guī)r風化氧化后產(chǎn)生硫酸及硫酸鹽，酸及鹽的溶出可加速凝灰?guī)r在水中的分解。為研究離子溶出，本文做了溶出實驗與測試。選取快速分解凝灰?guī)r樣品5 g，置于30 mL蒸餾水中攪拌，2分鐘后過濾獲得液體樣品。對樣品使用ICP-MS測試主要的離子濃度，結(jié)果見表3(取兩位小數(shù))。

圖3 凝灰?guī)r內(nèi)的微孔隙

圖4 凝灰?guī)r內(nèi)的微裂隙

表3 皂凡山凝灰?guī)r的溶出離子

由表3可知，快速完全分解的凝灰?guī)r濾液中，有較多離子溶出。特別是鐵離子濃度非常高，這與該地區(qū)凝灰?guī)r中黃鐵礦占比較大有密切關(guān)系，黃鐵礦氧化生成高酸性硫酸和FeSO4，該地區(qū)金礦中的金也主要附存于黃鐵礦)。由表3可知高分解性凝灰?guī)r在水中分解時均有較多離子溶出，離子溶出對凝灰?guī)r分解起重要作用[11]。鉆井液防塌時應考慮離子溶出的影響。

5 化學研究與防塌

本文還對皂凡山凝灰?guī)r做了系列防塌化學實驗。實驗表明硅酸根陰離子及鉀銨陽離子對皂凡山凝灰?guī)r具有顯著防塌作用。但是K2SiO3多呈硬塊狀，溶解緩慢，故也可混合使用KCl和Na2SiO3。以上實驗說明鉀鹽等對凝灰?guī)r具有離子交換改性防塌作用。僅使用鹽溶液即能使皂凡山凝灰?guī)r具有較長時間的穩(wěn)定性，但穩(wěn)定性并不是永久穩(wěn)定(鉀鹽等對一些地區(qū)高分散凝灰?guī)r的改性可使得凝灰?guī)r穩(wěn)定性改變更徹底，重新放于水中仍然不分解)，在數(shù)天后凝灰?guī)r仍然緩慢分解為較松散的塊狀物?？梢妰H僅使用鹽溶液防塌并不夠，為使凝灰?guī)r穩(wěn)定性更好，經(jīng)試驗，前期研究的針對高分散性凝灰?guī)r的防塌鉆井液配方對皂凡山凝灰?guī)r更有效[12]。防塌配方為: 本地凝灰?guī)r濾液(中和酸性)+膨潤土+飽和NaCl+K2SiO3(>5%)+NaOH+可溶淀粉+抗氧化劑。

化學實驗還表明：皂凡山新鮮凝灰?guī)r在碳酸鹽或碳酸氫鹽中分解迅速(分解速度明顯快于在水中的分解速度)并有氣泡產(chǎn)生，這是因為凝灰?guī)r中的硫酸和碳酸鹽/碳酸氫鹽反應生成了CO2，碳酸鹽/碳酸氫鹽對皂凡山凝灰?guī)r有一定的促進分解作用，鉆井液中不能使用碳酸鹽/碳酸氫鹽。K2CO3和KHCO3等也具有促進分解，陽離子穩(wěn)定作用不及碳酸陰離子分解作用。

6 結(jié)論

1)皂凡山凝灰?guī)r中的白云母、金云母和高嶺石比例合計達40.5%，占比很大，大量親水性極強的硅酸鹽礦物是凝灰?guī)r快速分解的物質(zhì)因素。

2)皂凡山凝灰?guī)r普遍具有典型的類黏土微片層結(jié)構(gòu)，水層容易插入，該片層結(jié)構(gòu)有利于凝灰?guī)r在水中的分散。凝灰?guī)r內(nèi)部微孔隙裂縫發(fā)育，也有利于水分在凝灰?guī)r內(nèi)部的快速運移。

3)凝灰?guī)r中黃鐵礦占比較大，黃鐵礦氧化產(chǎn)生硫酸和硫酸鹽，硫酸和硫酸鹽對凝灰?guī)r具有溶蝕作用，并使得皂凡山凝灰?guī)r分解液呈強酸性。ICP-MS測試表明凝灰?guī)r在水中短時間快速分解后有較多離子溶出，離子的快速溶出對本身結(jié)構(gòu)松散的凝灰?guī)r起到加速分散作用。

4)鉀鹽、銨鹽及硅酸鹽對皂凡山凝灰?guī)r具有顯著的離子交換改性穩(wěn)定作用，可混合使用KCl和K2SiO3。而碳酸鹽/碳酸氫鹽具有顯著的促進分解作用。鉀離子等陽離子的交換穩(wěn)定作用不及碳酸陰離子的促分解作用。