西藏某水电站坝址区岩石蚀变特征分析

2020-01-08杨成龙王森林王钦权

水利与建筑工程学报 2019年6期

杨成龙，王森林，王钦权，韩啸

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

某水电站位于西藏东南部，初拟方案为碾压混凝土重力坝，坝址区海拔2 880 m以上，岸坡坡度为34°～52°。坝址区内主要出露岩性为英安岩及侵入花岗闪长斑岩，地质构造主要为沿河流向发育的陡倾韧性剪切构造带及Ⅳ级、Ⅴ级结构面，岩体风化、卸荷作用强烈，碎裂松动岩体普遍发育。坝址区地表发育有若干条带状蚀变岩体，部分平硐亦揭示了地表深处岩石的蚀变现象。

不少学者对岩石蚀变做了深入的研究。魏伟等[1]、徐浩[2]、于新华等[3]、苗朝[4]对蚀变机理及蚀变岩石结构构造类型等进行了研究分析。苗朝等[5～6]、覃礼貌等[7]、黄志全等[8]、程来等[9]、魏伟等[10]认为蚀变改变了岩石原有的力学特性，致使岩体质量在区域上存在不均匀性，造成了局部软弱带。天池抽水蓄能水电站、叶巴滩电站、广州抽水蓄能水电站、青龙水电站及一些隧道工程实例均反映了工程中存在的蚀变问题对工程岩体质量和工程建设具有一定的影响[11-15]。

鉴于本工程初拟的混凝土高坝方案对坝基岩体质量要求较高，故深入研究本工程岩石蚀变类型、蚀变程度及物理力学指标，查明岩石蚀变的工程地质特性，具有重要意义。

1 蚀变分布特征

根据工程区岩石蚀变发育位置，将其分为构造带内岩石蚀变和远离构造带的岩石蚀变，其中，构造带内岩石蚀变包含韧性剪切构造带内岩石蚀变和构造结构面部位岩石蚀变。

1.1 构造带内岩石蚀变分布特征

1.1.1 韧性剪切构造带内岩石蚀变

工程区地表可见的岩石蚀变主要受控于顺沿河发育的韧性剪切构造带，尤其在中坝址右岸和下坝址左岸最为典型，韧性剪切构造带内的岩石大多发生了明显的蚀变，且蚀变岩体均呈现出沿韧性剪切带延伸方向发育的特征，平面上表现出线状或条带状形态，见图1。

结合地质测绘，英安岩与花岗闪长斑岩内蚀变带的表观性状有明显的差异。其中，英安岩内主要发育了SB2、SB3、SB4及SB5等共计4条蚀变带，各蚀变带内的岩石均呈现出明显的破碎、片理化或糜棱化特征，风化程度较高，局部长期受地表水影响，呈黄白色破碎带，如图2(a)和图2(b)所示。花岗闪长斑岩内主要发育了SB6、SB7共计2条蚀变带，该两条蚀变带虽沿韧性剪切构造带发育方向延伸，但未见片理化特征，主要表现为地表部位除发育尺寸不一的蜂窝状孔洞外，局部还可见洞径3 m～8 m、深10 m～15 m的洞穴，敲击声音偏闷。构造带内蚀变花岗闪长斑岩的表观特征如图2(c)所示。

图1 中、下坝址岩石蚀变平面分布图

图2 韧性剪切构造带内蚀变岩体表观特征

1.1.2 构造结构面岩石蚀变

工程区构造结构面部位岩石蚀变常见于小断层和构造裂隙部位，主要表现为沿小断层及构造裂隙位置的岩体，发生了沿岩体破裂系统的一系列蚀变，导致结构面位置破碎岩体或完整岩体结构面两侧岩石颜色发生明显变化，呈现出一定厚度的深色条带，如图3所示。该现象在工程区低高程平洞内较常见，且根据统计结果，结构面越发育部位的岩石蚀变程度越强烈。

图3 结构面部位岩石蚀变表观特征

1.2 远离构造带岩石蚀变表观特征

远离构造带的岩石蚀变主要表现为蚀变部位构造结构面不发育，岩石的原有结构发生了破坏且伴有重结晶作用，尤其以花岗闪长斑岩表现较明显，其原有斑晶变得模糊，并呈现明显硅化特征，如图4所示。

图4 远离构造带的岩石蚀变表观特征

2 蚀变成因分析

结合本工程复杂的区域地质背景，分析认为坝址区岩石蚀变成因包含岩浆期后热液蚀变和构造热液蚀变。

(1) 岩浆期后热液蚀变。坝址区的英安岩和花岗闪长斑岩形成年代为印支晚期中三叠世时期，为古特提斯造山运动时期，火山岩浆和花岗岩浆期后热液主要形成于古特提斯造山过程。其中，火山岩体冷凝后，残余的岩浆热液对岩体的自蚀变即为火山岩浆期后热液蚀变；而在火山岩形成的同时或稍晚时刻，花岗岩浆侵入火山岩地层，携带了大量的热量及钾质热液，导致火山岩浆期后热液蚀变加强的过程为花岗岩浆期后热液蚀变。火山岩浆期后热液蚀变和花岗岩浆期后热液蚀变统称为岩浆期后热液蚀变。

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(2) 构造热液蚀变。坝址区的韧性剪切构造带及构造结构面的形成时期大都发生在喜山期，构造活动时，沿构造面运移的热液引起构造岩、构造裂隙外缘的围岩产生一定的蚀变作用，即为构造热液蚀变。

根据浆期后热液蚀变和构造热液蚀变的发生过程和坝址区岩石蚀变的分布特征，判别坝址区构造带内岩石蚀变的成因以构造热液蚀变为主，而远离构造带岩石蚀变成因为岩浆期后热液蚀变。

3 岩石蚀变微观特征

为深入研究工程区岩石蚀变微观特征，特采用岩石薄片镜下鉴定和X射线粉晶衍射分析(XRD)两种技术手段对岩石蚀变进行分析。

3.1 岩石薄片镜下鉴定

该类鉴定方法主要鉴别韧性剪切构造带内岩石蚀变特征及远离构造带的岩石蚀变特征。鉴定结果如下：

(1) 韧性剪切构造带内蚀变英安岩。岩石为斑状结构，斑晶仅可见大量的石英，斜长石斑晶以假象存在，基质为隐晶质-霏细结构。石英斑晶含量约5%，粒径变化于0.5 mm～1.5 mm之间。斜长石斑晶含量约5%，粒径与石英斑晶相当，受蚀变作用影响，保留了斜长石晶体假象，具有明显的变形拉长特征。基质以绢云母为主，多环绕斑晶展布，具有定向特征。镜下可见斑晶和大部分基质发生了高达25%的绢云母化和20%的高岭土化蚀变。典型镜下结构如图5(a)所示。

(2) 韧性剪切构造带内蚀变花岗闪长斑岩。岩石为斑状结构，斑晶为斜长石及少量石英和黑云母，基质为微晶粒状花岗结构。斜长石含量接近25%～30%，粒径0.5 mm～1.0 mm，基本全部发生了高岭土化和绢云母化蚀变，仅保留了斜长石晶体假象。石英斑晶含量共计约3%，粒径多为0.5 mm左右，多为它形粒状，波状消光现象明显。黑云母斑晶含量约3%，镜下为自形片状，粒径约0.5 mm左右，具有明显的变形扭折特征。典型镜下结构如图5(b)所示。

(3) 远离构造带的蚀变英安岩。岩石具有斑状结构，斑晶以石英和斜长石为主，少量黑云母斑晶，基质为隐晶质结构。斜长石斑晶的光学特征几乎完全清晰，不具有明显的绢云母化和高岭土化蚀变。基质中不见大量的绢云母矿物。黑云母斑晶发生了中等的绿泥石化蚀变特征，可见其铁质析出现象。典型镜下结构如图5(c)所示。

远离构造带的蚀变花岗闪长斑岩：岩石为斑状结构，斑晶为斜长石和少量石英和角闪石。斑晶斜长石含量约15%，多为自形-半自形板状，粒径约0.5 mm～1.0 mm，斜长石较为新鲜，并未发生明显的高岭土化和绢云母化蚀变。石英多为它形，大多为浑圆状，粒径0.2 mm～1.0 mm居多，含量约5%。角闪石含量约2%，半自形-自形柱状，多发生了绿泥石化和绿帘石化蚀变。基质较为新鲜，可见大量的微晶长石和石英，为典型的微晶粒状结构。典型镜下结构如图5(d)所示。

图5 不同部位蚀变岩石薄片典型镜下图

3.2 X射线粉晶衍射分析(XRD)

该类鉴定方法主要鉴别结构面部位岩石蚀变特征及远离构造带的岩石蚀变特征。分别选取了同等风化程度下不同取样位置、不同蚀变程度的4组花岗闪长斑岩样品进行XRD特征图谱分析，并有效获得了各样品矿物成分。其中，a类样品取自远离构造带蚀变部位，b类、c类及d类样品取自断层构造蚀变部位。不同样品的XRD特征图谱如图6所示，分析成果见表1。

图6 不同样品的XRD特征图谱

表1 不同样品XRD分析测试成果统计表

3.3 成果分析

结合镜下岩相学特征与XRD测试结果，不同部位、不同成因的岩石蚀变具有以下特征：

(1) 远离构造带的岩石蚀变类型主要包括绢云母化、碳酸盐化和风化期的粘土化，通过试验可见，其在热液期蚀变程度较弱，蚀变程度约1.51%左右。后期经历风化期改造后，其蚀变及风化变化总量为12.38%。

(2) 构造结构面部位岩石蚀变类型主要为碳酸盐化，其次为绢云母化、绿泥石化、硅化和菱铁矿化等，蚀变程度为9.34%～21.26%。后期经历风化期改造后，其蚀变及风化变化总量为25.76%～32.48%。

(3) 韧性剪切构造带内岩石蚀变虽未进行XRD测试，但根据镜下岩相学特征，其蚀变类型主要为高岭土化和绢云母化，该类岩石蚀变在经历了片理化改造及构造热液蚀变，蚀变程度达到了25%～45%。又由于该类蚀变发育位置多处于地表浅部，风化期改造作用较其余两类更强烈，故初步估计其蚀变及风化变化总量不低于39%。

根据上述分析，坝址区远离构造带的岩石蚀变(a类)、构造结构面部位岩石蚀变(b类)及韧性剪切构造带内岩石蚀变(c类)的蚀变程度大小关系为：a类

4 物理力学特性分析

为进一步分析岩石蚀变对其物理力学特性的影响，将坝址区同属弱风化带的韧性剪切构造带内蚀变岩块、远离构造带蚀变岩块及未发生蚀变岩块的室内物理力学试验成果进行了统计分析。统计时将英安岩与花岗闪长斑岩进行了区分，结果如表2所示。

表2 坝址区不同特征岩块物理力学参数统计成果

根据统计成果，同种岩性的岩块物理力学参数统计值对比反映了蚀变对岩石的物理力学特性具有削弱作用。以岩石单轴饱和抗压强度为例：弱风化带英安岩中，远离构造带蚀变岩石强度指标较未发生蚀变岩石削弱了11.8%，韧性剪切构造带内蚀变岩石强度指标较未发生蚀变岩石削弱了65.1%；弱风化花岗闪长斑岩中，远离构造带蚀变岩石强度指标较未发生蚀变岩石削弱了18.2%，韧性剪切构造带内蚀变岩石强度指标较未发生蚀变岩石削弱了67.4%。

上述物理力学指标的对比研究反映了同种岩性、同一风化带内未蚀变岩石(a类)、远离构造带的蚀变岩石(b类)与韧性剪切构造带内蚀变岩石(c类)的室内试验强度指标数量关系为：a类>b类>c类。