塔木素黏土岩矿物成分与弹性模量相关性研究

王瑜，梁海安,2，胡清波，陈海康，万超，谢哲

（1东华理工大学 建筑工程学院，江西南昌 330013；2东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室培育基地，江西南昌 330013）

0 引言

弹性模量是衡量岩石抵抗弹性变形能力大小的尺度，可表征岩石的变形性质，对岩体工程具有重要意义。从矿物成分的微观角度研究岩石的弹性模量有利于更好地认清岩层特性。国内外学者对岩石内部性质和力学性质的关系进行了深入的研究。A.Tugrul[1]等建立了花岗岩的工程性质与矿物成分的关系，Lindqvist[2]、Johansson[3]等研究了矿物成分、颗粒大小、孔隙度等内部性质对岩石力学性质的影响。孟召平[4]、赵斌[5]等研究了岩石成分和结构与力学性质的关系。

黏土岩被认为是良好的核废料地质处置库备选围岩类型之一，内蒙古巴音戈壁盆地塔木素地区是重要的备选黏土岩预选区之一。研究塔木素地区黏土岩矿物成分与弹性模量相关性，对核废料地质处置库的选址以及评价核废料地质处置库的安全稳定性具有重要意义。

1 空间平均模型估算弹性模量

为了研究矿物组成对弹性模量的影响，必须建立岩石的物理模型[6]。空间平均模型在孔隙率较低或压力较高情况下与实际情况更相符，由于塔木素地区黏土岩孔隙率较低，因此采用空间平均模型对塔木素地区黏土岩的弹性模量进行估算。

Voigt[7]最早提出一个平均模型，假设外加应力在岩石内各种矿物中引起的应变是均匀的，在岩石内的各种矿物沿着受力方向平行排列。假定岩石中有N种矿物，Voigt模型的岩石体积模量 KV和剪切模量μV分别为：

其中，Ki为第i种矿物的体积模量，μi为剪切模量，Vi为矿物所占岩石体积的百分比。

Reuss[8]也提出类似的平均模型，他假设组成岩石的各种矿物的应变场并不均匀，但是它们都承受同样的应力。在岩石内的各种矿物是成层排列的，不过成层的方向与应力方向垂直。岩石的体积模量KR、剪切模量μR分别为：

后来，Hill[9]对这两种模型取算数平均值，得到的体积模量KVRH、剪切模量μVRH分别为：

Kumazawa[10]仿照Hill的做法，对两种模型的结果取几何平均值：

之后根据以下换算公式可求解出弹性模量：

其中，K为体积模量，G为剪切模量。

表1为主要矿物的基本弹性参数[6]。由于绿泥石比其它黏土矿物具有更高的体积模量和剪切模量，因此把绿泥石单独列出。

表1 主要矿物的基本弹性参数

2 塔木素地区黏土岩矿物成分与弹性模量相关性研究

图1 编号S-1B的岩样薄片图

图2 编号 S-6的岩样薄片图

2.1 塔木素地区黏土岩矿物成分与弹性模量结果

选取塔木素地区地下浅层和深层黏土岩样，用Leitz偏光显微镜对其进行岩矿鉴定。图1和图2分别为岩石编号为S-1B和S-6的岩样薄片图。表2为塔木素地区黏土岩的矿物成分和含量。组成该地区浅层黏土岩的矿物成分中泥质和白云石含量最多，深层黏土岩的矿物成分中石英含量有所增加。

表2 塔木素地区黏土岩矿物成分和含量

根据Voigt模型、Reuss模型、Hill和Kumazawa的方法， 计算出塔木素地区黏土岩四种方法下的弹性模量理论值。对岩样进行单轴和三轴实验，根据工程岩体试验方法标准，采用割线弹性模量计算岩样的弹性模量实验值。其理论值与实验值结果见表3。

表3 塔木素地区黏土岩弹性模量理论值与实验值结果表

2.2 塔木素地区黏土岩矿物成分与弹性模量相关性

由表3可得，深层黏土岩石英的矿物含量平均比浅层黏土岩高16.65%，深层黏土岩的弹性模量实验值平均比浅层黏土岩高17.48%。可以推测，随着石英含量增加，弹性模量增大。由于石英是脆性矿物，会增强岩石的力学性质。

塔木素地区的矿物成分主要为泥质和白云石，为了研究泥质、白云石对弹性模量的影响，分别用线性、对数、指数和幂函数对其关系曲线进行拟合。图3、图4分别为浅层黏土岩弹性模量和泥质含量、白云石含量关系图。可以看出，随着白云石含量增加，弹性模量总体呈上升趋势。而随着泥质含量增加，弹性模量总体呈下降趋势。白云石属三方晶系的碳酸盐矿物，其摩尔硬度在3～4之间，对岩石力学性能起到加强作用。泥质矿物属于黏土质矿物，会弱化岩石力学性质。对于弹性模量和泥质含量的关系曲线，幂函数拟合精度最高。而对于弹性模量和白云石含量的关系曲线，指数函数拟合精度最高。

图3 弹性模量和泥质含量关系图

图4 弹性模量和白云石含量关系图

比较弹性模量的理论值和实验值，可以看出深层黏土岩实验值与理论值相符。Voigt提出的平均模型假设了理想化的应变分布，Reuss提出的平均模型假设了理想化的应力分布，两种理想化的假定会导致误差。而且与浅层岩体不同，深层岩体一些区域处于临界高应力状态。对深层黏土岩进行了高温三轴实验，深层黏土岩比浅层黏土岩受到了更高的压力。因此，深层黏土岩实验值与理论值相符。

3 结论

（1）我国塔木素地区黏土岩的矿物成分中泥质和白云石含量最多，深层黏土岩的矿物成分中石英含量有所增加。

（2）随着石英和白云石含量增加，弹性模量总体呈上升趋势。而随着泥质含量增加，弹性模量总体呈下降趋势。弹性模量和泥质含量关系可用幂函数拟合，弹性模量和白云石含量关系可用指数函数拟合。

（3）塔木素地区深层黏土岩的弹性模量实验值与理论值相符。

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