深圳地区花岗岩球状风化体地下分布规律统计分析

曹 权，项 伟，王凤华，郭 龙，李清明

（1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

深圳地区花岗岩分布广泛。花岗岩在出露地表附近接受风化作用时，由于块状岩石的突出棱角部位易受风化，其棱角逐渐缩减，并趋向球形，最终形成似球状孤石与土状风化物混杂的球状风化体(俗称孤石)。

对于花岗岩球状风化的成因国内外学者做了大量工作。Ruxton和Berry对香港地区的花岗岩球状风化现象进行了长期的调查和研究，认为随着风化作用的进行风化球体外部物质逐渐被剥蚀和淋熔掉，风化球体因此越来越小［1］；Brock从元素迁移的角度对花岗岩球状风化的形成机理进行了研究，并指出花岗岩的风化与主要矿物的抗风化能力及矿物的相对含量有十分重要的关系［2］；Boyne认为球状岩石是由于体积膨胀，不断层状剥离形成的，是物理风化和化学风化耦合作用的结果［3］；Sarracino用数学的方法建立风化孤石的模型，并利用该模型研究孤石的形成过程及环境影响［4］；Lan认为风化花岗岩的物理力学特性风化程度与所处地域有关［5］；王浩认为花岗岩球状风化与矿物成分差异、构造断裂带的分布和当地气候条件有关［6］；鲍晓东总结深圳地铁一期工程建设经验，认为深圳地区花岗岩残积土的不均匀风化主要表现形式为球状风化，即残积土中存在球状中等风化、微风化岩体［7］；冯涛、李建强从微观力学描述和宏观力学性能方面阐述球状风化花岗岩的形成机理［8～12］。

尽管对花岗岩的球状风化形成机理已有初步了解，但目前研究成果只局限于定性描述，加之花岗岩球状风化受气候、岩石成分、结构和地质构造等影响，具有明显的地域特征，目前尚不能对花岗岩球状风化的成因给出定量的解释，对工程指导作用有限。随着深圳地区大规模地下空间建设的开展，尤其是城市地铁的兴建，花岗岩球状风化问题已严重影响了工程建设进度、质量和安全，迫切需要准确探明孤石的空间分布。科学统计和分析已有孤石地质勘探数据，建立反映地区特点的花岗岩地下分布统计规律，是目前理论研究水平下最佳选择。

1 原始资料的整理

目前工程中花岗岩球状风化主要通过地质钻探和物探的方法，但物探方法在实际工程施工中经常受到非探勘物质的影响，所得的判断和解析往往较为粗略，目前主要作为辅助探测手段。钻探能直观揭示风化孤石的存在，成为花岗岩球状风化地下分布的主要探测方法，由该方法确定的孤石是本次原始资料收集的主要对象。本次共收集了深圳地区216个工点的勘察报告，筛选出90个揭示有孤石的工程勘察项目，统计到854个孤石详细分布数据。

为了更真实、全面反映孤石的地下分布情况，本次对每一个孤石样本的工点名称、孔(桩)号、孔口高程、孔口坐标、孤石风化类型、孤石分布层位、孤石埋深、孤石层面分布高程、揭示厚度和勘探时间等10个指标进行了统计。深圳地区东部及西部沿海区域花岗岩球状风化较发育，特别是西部大部分花岗岩分布区域。根据各样本点坐标，将孤石分布点投影到深圳市区域地质图上(图1)。从图上可以看到本次统计点主要分布在深圳地区西部，涵盖了花岗岩发育的主要区域，从而保证了本次统计分析结果的代表性。

图1 深圳地区花岗岩分布统计图Fig.1 Statistic distribution of solitary stone of granite in the Shenzhen district

2 孤石的统计分析

2.1 孤石风化程度

目前对孤石尚未有统一的定义，在命名上也有差别。《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)、《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307-2012)、《深圳市地基基础勘察设计规范》(SJG01-2010)均未给出孤石定义，称其为“球状风化体”；《工程地质手册》(第四版)称孤石为“风化球”，也未给出定义。国内外文献对球状风化体和孤石的英文名称也千差万别:“spherodial weathering body”、“weathered granite residual”、“spherical weathered granite”、“globular weathering body”、 “globular weathered body”、“corestoes”、“bolas”、“boulder”、“solitary stone”等，这也说明国内外对孤石的研究尚不深入。考虑孤石对工程的影响，本次统计主要关注微风化和中风化花岗岩孤石，因为这类孤石往往具有很高的强度，裂隙不发育，对地铁盾构施工和基岩面的确认影响很大。

花岗岩孤石风化程度统计结果如图2所示。由图可见，深圳地区发育的孤石成分中三分之二以上为微风化花岗岩，岩质坚硬，风化球内部一般无裂隙，表面仅有几厘米厚风化层薄壳；余下不到三分之一的孤石成分为中风化花岗岩，与微风化花岗岩相比，孤石在强度和完整性上稍差。

图2 孤石风化程度统计Fig.2 Degree of weathering statistics of the solitary stones of granite

2.2 孤石分布地层

花岗岩地区正常的风化层序一般是:残积土—全风化—强风化—中等风化—微风化—未风化，由于孤石的发育，往往改变这种风化规律。图3是深圳地区孤石分布地层统计结果，花岗岩孤石在残积层、全风化层、强风化层和中风化层中均发育，但从发育频率上看，主要发育在强风化层中，在残积层和全风化层中出现频率相当，中风化层出现很少。残积土和风化层中发育的孤石，破坏了花岗岩风化剖面的相对均匀性，给工程设计和施工增加了难度。

图3 孤石分布地层统计Fig.3 Statistic distribution of strata of the solitary stones of granite

2.3 孤石层顶埋深和分布高程

孤石的层顶分布直接影响着建筑物的布置和施工工艺，从图4孤石层顶埋深统计结果来看，深圳地区孤石层顶埋深近似呈正态分布:孤石层顶埋深在10.00～20.00m区间内出现频率最高，接近40%，在这个区间段以上和以下，孤石层顶埋深出现频率逐渐降低。由于城市建设的影响，原始地形经常发生变化，孤石层顶埋深的统计规律也受到影响，因此对孤石层顶分布高程的调查具有重要的工程意义。图5是孤石层顶分布高程统计图，由图5可以发现，深圳地区孤石层顶分布高程主要在40.00～70.00m区间内，出现频率接近40%，在此高程段以上出现的频率较低，在此高程段以下出现的频率较为均匀，平均为17%。

图4 孤石层顶埋深统计Fig.4 Depth of the top layer of the solitary stones of granite

图5 孤石层顶分布高程统计Fig.5 Distribution of the top layer elevation of the solitary stones of granite

2.4 孤石揭示厚度

从目前开挖揭露大量的孤石形态看，风化球往往具有近似椭球形外观，两头竖向高度较小，往中部发展竖向高度变大；风化球在风化层中赋存时，其长轴面并不都是水平的，有时呈倾斜分布。所以钻孔所揭示的风化球的竖向球径不能认为是风化球的最大竖向长度，但是由于本次统计分析过程中采用了相同的勘探方法得到的数据，故以钻孔揭示的竖向球径作为风化球的“厚度”进行统计分析，仍然能从总体上反应其大小的变化特征。

本次统计的854个风化球的“厚度”数据中，最小值为0.15m，最大值为12.40m，其中“厚度”小于2.50m的孤石占80%，超过5.00m的孤石只占4%，说明深圳地区大部分孤石的“厚度”不超过2.50m(图6)。

图6 孤石揭示厚度统计Fig.6 Reveal thickness of the solitary stones of granite

2.5 孤石发育层数

由于花岗岩地层的复杂性和构造运动的多期性，风化球的地下分布往往具有分层性，野外钻探统计结果揭示最多孤石发育层数为7层，但大多发育1层，占比达66%，发育2层的占19%，发育3层的占9%，发育4层的占4%，发育超过4层的不超过3%。因此，深圳地区的孤石发育以1层和2层为主。

3 结论和建议

(1)深圳地区三分之二以上的花岗岩孤石成分为微风化花岗岩，中风化花岗岩不到三分之一。

(2)深圳地区花岗岩孤石60%以上分布在强风化花岗岩层中，30%在残积层和全风化层中，中风化层出现很少。

(3)深圳地区花岗岩孤石层项埋深集中在10.00～20.00m范围内，层顶分布高程主要在40.00～70.00m区间内，两者出现频率均接近40%。

(4)深圳地区80%的孤石揭示“厚度”不超过2.50m。

(5)深圳地区三分之二花岗岩孤石主要发育1层，随着发育层数的增多，出现频率锐减。

由于钻探只能对地下风化球的发育情况、风化球的赋存特征从竖向剖面上进行揭示，而不能反映其横向分布信息，因而就无法还原立体的球状风化体的真实分布状况。因此，创新孤石探测方法和三维表现形式，加强球状风化成因的基础理论研究，将是准确探定孤石的努力方向。

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