葉孔凱

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)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(gòu)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(nèi)?；◢弾r一般形成深度大于10km[1]，在地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造運動產(chǎn)生的大量節(jié)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(diào)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(jié)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(xiàn)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(zhì)增多。導(dǎo)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(jù)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(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(fā)生躍遷，導(dǎo)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(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(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。風化殼內(nèi)越靠近表層高嶺土化越強烈，如強風化層中，由于節(jié)理密集發(fā)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(fā)育裂隙兩側(cè)，一般厚度僅1～10mm，破壞程度較低。綠泥石化：花崗巖中的長石 (斜長石為主)、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，在綠泥石化強烈區(qū)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(xiàn)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(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。與“銹石”不同的是，風化作用導(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 化學風化作用對飾面用花崗巖的影響

2 節(jié)理對礦體的影響

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)系到礦山開采的荒料率，對礦山經(jīng)濟價值至關(guān)重要。

2.1 節(jié)理的分類

不同類型的節(jié)理對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)理的力學性質(zhì)分為張節(jié)理和剪節(jié)理，同時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，無擦痕，節(jié)理寬度較大，內(nèi)部常破碎或有脈巖充填，延伸長度一般較小。同時張節(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)理雖然延伸長度小，但分布間距小且較密集，對礦體破壞最大。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，在剪裂面常次生羽狀短節(jié)理。剪節(jié)理雖然延伸長度大，但節(jié)理間距一般較寬，對礦體破壞程度較小。微節(jié)理一般容易被忽視，節(jié)理長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，長度一般1～23m，節(jié)理間距一般1.8～3.1m，對礦體破壞程度大。剪節(jié)理一般呈閉合狀，常形成次生羽裂，長度一般70～100m，節(jié)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(jié)理主要出現(xiàn)在較大的節(jié)理邊部，對礦體影響范圍最小。

2.2 節(jié)理密度對飾面石材評價的影響

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，對飾面石材荒料率影響重大，同時也是圈定節(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)人員對于節(jié)理密度統(tǒng)計不細致，忽視了節(jié)理密集區(qū)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(jié)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(zhì)技術(shù)人員未詳細統(tǒng)計節(jié)理密度，按土木工程地質(zhì)中節(jié)理分類標準[9]將節(jié)理較發(fā)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(zhì)報告估算出理論荒料率為20%，但實際生產(chǎn)荒料率遠低于18%的工業(yè)指標，導(dǎo)致業(yè)主投資失誤?，F(xiàn)場調(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，對礦體產(chǎn)生嚴重破壞。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)域為0.13～0.55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)人員在勘查過程中未詳細分析礦體內(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)多年中隨著開采面的下降，礦山實際生產(chǎn)荒料率高達40%以上?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該礦山已全面開拓，礦體內(nèi)節(jié)理密度較低，老采場節(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相關(guān)關(guān)系，節(jié)理密度對于礦山開采經(jīng)濟性影響十分重大。地質(zhì)勘查工作對節(jié)理密度分析不夠細致，圖解荒料選點代表性不足，常導(dǎo)致實際生產(chǎn)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(jié)理密度作為輔助圈礦指標的探討

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(jié)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(jié)理的產(chǎn)狀方位，僅能統(tǒng)計節(jié)理的密度及傾角，很難準確進行深部荒料率統(tǒng)計。本文根據(jù)采場上調(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的節(jié)理密度。具體思路為：根據(jù)已有采場調(diào)查節(jié)理在垂直方向上(與鉆探工程對應(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)。得出接近工業(yè)指標荒料率18%時節(jié)理密度，將其作為該鉆孔內(nèi)礦體圈礦的參考指標，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，各自建立的標準節(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械開采過程中軌道的布設(shè)、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(fā)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(guī)范[7]中的三種規(guī)格(245mm×100mm×150mm、185mm×60mm×95mm、65mm×40mm×70mm)，同時考慮實際生產(chǎn)過程中的荒料損失率約5%。

表2 采場(鉛垂方向高54m)節(jié)理頻率統(tǒng)計

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相關(guān)關(guān)系，同時當節(jié)理裂隙密度增大，開采大規(guī)格的荒料量也隨之減少。根據(jù)模型估算出：當鉆孔揭露到節(jié)理裂隙密度為0.5條/m時，該鉆孔揭露區(qū)域圖解荒料率為44.1%；當節(jié)理裂隙密度為0.75條/m時，圖解荒料率為32.3%，其中大+中規(guī)格荒料率為18.5%；當節(jié)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(guī)格荒料。

表3 各模型圖解荒料率統(tǒng)計結(jié)果

因此，本文認為該“永定紅”礦山勘查過程中，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)圈礦指標參考值。同時建議未來每個礦山勘查中，可以根據(jù)各自節(jié)理特征，建立相對應(yīng)的模型，估算出可作為圈礦指標參考值的節(jié)理密度，并增加評價單工程平均節(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)，以更好評價礦山經(jīng)濟價值。

4 結(jié)論

(1)風化作用及節(jié)理是破壞花崗巖礦床的主要因素之一。其中風化作用對礦體破壞主要表現(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)致巖石強度降低、變色；節(jié)理密集發(fā)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(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，對礦體破壞程度最大；剪節(jié)理雖然延伸長，但密度低，對礦體破壞程度一般；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，兩者呈明顯的負相關(guān)關(guān)系。在石材礦山勘查過程中，要重視節(jié)理發(fā)育密度值的統(tǒng)計分析，節(jié)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(xiàn)實意義。