风化花岗岩矿物组成与渗透特性相关性研究

2022-04-12张翼宇黄志全赵菲袁广祥王洪建冉涛

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2022年1期

张翼宇，黄志全,2，赵菲，袁广祥，王洪建，冉涛

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院,河南郑州 450046; 2.洛阳理工学院土木工程学院,河南洛阳 471023)

花岗岩是组成地球大陆壳的主要成分，中国花岗岩分布十分广泛，出露面积达到86×104km2。随着经济的发展，国家投入越来越多的大型工程项目，花岗岩因其具有高致密性、高强度和低渗透性等特点，常作为资源贮存、高放射性废料处置、各种中大型工程设施等的优良选址，受到广泛关注。日本、韩国、新加坡等国家常将地下油库修建在花岗岩环境中，我国约1/3的地下油库选址以花岗岩作为围岩[1]。高放射性废物的合理处置事关可持续发展和环保等问题，瑞典、芬兰等国家选择花岗岩区作为高放射性废物处置地，我国首要高放射性废物处置库区——甘肃北山即为花岗岩预选区[2]。水利水电工程要求坝基具有较好的力学强度、低渗透性、高稳定性，花岗岩能较好地满足这些条件，我国许多水电站选址均在花岗岩地区。因此，研究花岗岩的工程特性具有重要意义。

王思敬[3-4]提出岩石物质性的概念，把矿物成分形象地比喻为岩体的“细胞”，指出岩体的演化可以看作岩体在风化、蚀变作用下，物质性逐渐恶化的过程。吴宏伟等[5]收集了香港九龙地区150个风化花岗岩样本进行化学分析获取矿物成分，对比观察风化程度，建立了一套岩体风化定级体系；后对香港九龙地区3个工地取样149个不同风化程度的岩芯进行化学分析，提出花岗岩风化过程中钠长石先风化成高岭石，而后是钾长石、石英[6]。王彦华等[7]对花岗岩进行X-射线衍射、扫描电子显微镜及能谱、高分辨透射电子显微镜等分析,研究了黑云母在花岗岩风化中的变化机制。矿物成分的变异与演化决定了岩体物质性的变化，以往的研究较多集中于矿物成分演变对岩体力学强度影响方面[8-16]，而针对岩体水理性质的研究也多注重微观结构特性的影响[17-18]，对于矿物组成影响岩体渗透特性方面的研究相对较少。本文就不同风化程度花岗岩的矿物组成及渗透性质展开研究，旨在揭示花岗岩风化过程中，渗透系数与各矿物组成的相关性，为五岳上水库采取防渗措施提供参考。

1 试样选取

试验样品选自五岳水库上水库区两处钻孔岩芯，孔深为100 m。钻孔内不同风化程度花岗岩均有出露，本次试验取样微风化花岗岩、弱风化花岗岩、强风化花岗岩各4组，各取1组进行X-射线衍射和扫描电子显微镜鉴定矿物组成，各取3组进行岩体渗透试验，获取其渗透参数。

现行岩体风化程度定级的主流方法是现场观测法和定量法，本文以现场声波测试数据换算得到的波速比为主要依据，以现场观测为参考，按照《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[19]对岩芯试样进行风化分级。该规范定义风化岩体波速与新鲜岩体波速的比值为波速比(式1)，并给出了定级指标，见表1。

表1 岩体风化程度分级[19]

Ki=Vi/Vmax。

(1)

式中：Ki为波速比；Vi为风化岩体波速；Vmax为新鲜岩体波速。

按照上述标准进行试样选取，取样结果如图1所示和见表2。

图1 岩芯取样结果

表2 取样深度及相关参数

2 薄片及X射线测试

参照《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130.9—2006)，将选用3种风化程度的岩样切割制成薄片，通过偏光显微镜观察样本矿物组成及其特征。按照《转靶多晶体X射线衍射方法规范》(JY/T 009—1996)，通过衍射仪进行鉴定，鉴定结果如图2所示。

由图2(a)可知，微风化样本X-1呈浅灰色，似斑状结构，块状构造，矿物成分主要是钾长石、斜长石和石英，含黑云母。钾长石呈半自形、他形粒状，粒径0.2～2.8 mm，较大者为斑晶，可见格子状双晶，可见环带状构造，普遍具钠长石条纹，弱黏土化。斜长石呈半自形粒状，粒径0.2～2.8 mm，聚片双晶发育，被黏土矿物、白云母轻微交代。石英呈他形粒状，粒径0.2～5.2 mm，较大者为斑晶，具波状消光。黑云母呈鳞片状，粒径0.1～1.2 mm，褐色，多色性、吸收性一般，轻微被绿泥石和白云母交代。

由图2(b)可知，弱风化样本X-2呈浅灰色，中粒花岗结构，块状构造，矿物成分主要是钾长石、斜长石和石英，含少量黑云母。钾长石呈他形粒状，粒径0.2～4.4 mm，可见卡式双晶，可见环带状构造，普遍具钠长石条纹，被黏土矿物、白云母交代。斜长石呈半自形粒状，粒径0.2～4.6 mm，聚片双晶发育，被黏土矿物、绢云母、白云母交代。石英呈他形粒状，粒径0.2～4.8 mm，具波状消光。黑云母呈鳞片状，粒径0.1～0.8 mm，褐色，多色性、吸收性显著，被绿泥石交代。

图2 不同风化程度花岗岩薄片及矿物组成

由图2(c)可知，强风化样本X-3呈肉红色，二长结构，块状构造，矿物成分主要是钾长石、斜长石和白云母。钾长石呈他形粒状，粒径0.1～3.4 mm，被黏土矿物交代，蚀变较强烈。斜长石呈半自形粒状，粒径0.1～2.6 mm，聚片双晶发育，被黏土矿物、白云母交代，蚀变较强。白云母呈鳞片状，粒径0.1～3.0 mm，无色，近平行消光，鲜艳干涉色。

对比分析各风化程度的花岗岩矿物成分相对含量的变化，可知：随着风化作用的加强，斜长石、钾长石的相对含量呈稳定减少的趋势；石英含量则相对稳定，稍有波动；云母相对含量稳定增长，而黑云母相对含量逐步减少至全部风化。参考鲍文反应序列，花岗岩主要矿物成分风化的先后顺序应为黑云母、斜长石、钾长石、石英。又有研究指出，风化环境的不同也可能导致风化顺序、过程、产物出现差异[20-21]。这是因为，岩体的化学风化作用是一个复杂的过程，它包括水合、淋滤、水解、氧化等过程，每一个过程都受到反应环境的影响[22]。

黑云母在新鲜花岗岩中即开始风化，一般风化的中间产物为蛭石和绿泥石，最终产物为黏土矿物伊利石或绿泥石与高岭石、氧化铁。在五岳水库库区花岗岩中没有观测到蛭石的存在，推测该地区黑云母风化过程为：黑云母风化成绿泥石，进一步风化成绿泥石、黏土矿物和氧化铁。观察发现,在微风化至弱风化阶段，斜长石、钾长石受风化作用相对较弱，到强风化阶段则逐渐增强，风化过程为长石风化成绢云母，最终风化成高岭石、黏土矿物。石英化学成分简单、质地坚硬、结构稳定，受风化作用影响不明显。

3 渗透系数测定

选取微风化、弱风化、强风化花岗岩各3组，试样编号为A-1、A-2、A-3、B-1、B-2、B-3、C-1、C-2、C-3，共计9个样品，制成高度50 mm、直径50 mm的圆柱体试样。参照《煤和岩石渗透系数测定方法》(MT 224—1990)，通过渗透系数测试仪HP-4.0测量样品渗透系数。

将试样放入105～110 ℃的干燥箱内干燥处理24 h，然后放入干燥器内冷却至室温。试验开始前用钢柱代替试样进行预测，检验装置完好。依次加轴向荷载至约15 kN、围压12 MPa及渗水压力10 MPa。渗水压力P稳定在10 MPa后，待渗出水流稳定时，用量筒测量渗水体积，同时记录对应时刻T。然后，依据式(2)计算渗透系数。

渗透系数计算公式：

(2)

式中:Ki为试样渗透系数，cm/s；Q为渗流量，mL/s；H为试样高度，mm；P为渗水压力，Pa；A为试样横截面积，mm2；V为渗水体积，mL；T为渗水时刻，s；ρW为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

试验结果见表3。由表3可知，风化作用对于花岗岩渗透系数的影响较为明显。微风化花岗岩平均渗透系数为3.18×10-6cm/s，弱风化花岗岩平均渗透系数2.32×10-5cm/s，强风化花岗岩的平均渗透系数为4.40×10-4cm/s。试验结果表明：不同风化程度的花岗岩渗透系数相差以量级计算，充分说明风化作用对于花岗岩的渗透特性影响显著;试样A-3与A-1、A-2渗透系数相差较大，推测原因为试样存在较大裂隙所致。

表3 渗透试验结果

国内有学者通过对风化花岗岩进行大量渗水、注水、压水、抽水及室内渗透试验等给出了不同风化程度花岗岩渗透系数参考值(表4)，以此为参考，与本次渗透试验进行对照，证明试验结果合理。

表4 风化花岗岩渗透系数参考值[23]

试样渗透系数的变化主要受到岩体内裂隙发育情况的控制。化学风化改变矿物成分，物理风化改变颗粒的结构、形状、大小等。因此，风化作用对于岩体渗透性的影响较大。结合现场观测，新鲜花岗岩内发育少量不连通原生裂隙，无法充当渗漏通道。微风化阶段：花岗岩中斜长石、钾长石轻微风化，出现连通裂隙，黑云母也逐渐分解为绿泥石，故微风化花岗岩具有渗透性，但是渗透系数较小，仅为3.18×10-6cm/s。弱风化阶段：斜长石、钾长石继续风化形成绢云母、黏土矿物等，黑云母加速分解为绿泥石，石英也出现轻微分解，岩体表面可以观察到成组的裂隙，断面有明显水蚀痕迹，渗透系数增长到2.32×10-5cm/s，该值与花岗岩推荐渗透系数相近，可见，弱风化花岗岩在库区较为常见。强风化阶段：黑云母基本全部风化为绿泥石，部分氧化为氧化铁，斜长石、钾长石加速风化，石英也出现较为明显的裂纹，晶界遭到破坏，岩体裂隙大量发育，岩体渗透系数迅速增长至4.40×10-4cm/s。

4 相关性分析

为了进一步研究花岗岩风化作用与渗透性能的关系，通过曲线拟合对不同风化程度矿物组分含量和渗透系数的关系进行研究，获得相关性系数。相关性系数是衡量两个变量直接相互关系的参数，一般根据相关性系数可以认为变量之间有正相关、无关、负相关等关系，若拟合优度绝对值大于0.8，可以视为变量之间有较强的相关性。

结合前文所述，花岗岩的渗透特性主要由岩体裂隙发育情况主导，王思敬院士团队[24]指出岩体孔径分布、颗粒组成和矿物成分是花岗岩微观特征的主要方面，且三者之间又表现出一定的对应性，而岩体内裂隙的发育与风化作用息息相关。故本次研究拟通过矿物成分的变化来表征花岗岩的风化程度，与渗透系数建立关系以说明风化作用对花岗岩渗透特性的影响。将钾长石、斜长石和黑云母含量与渗透系数用线性函数进行拟合(石英含量变化较小不作考虑)，并与前人研究(文献[6][23])进行对比，拟合结果如图3—5所示。

图3—5显示，各矿物成分与渗透系数拟合效果均较好。由于不同地区花岗岩种类不同，风化过程中矿物成分含量的变化趋势也有所不同，但两种花岗岩的矿物含量与渗透系数均呈现较高的相关性。其中，样本花岗岩钾长石含量与渗透性系数的拟合优度为0.809，斜长石含量与渗透系数的拟合优度为0.565，黑云母含量与渗透性系数的拟合优度为0.855；参照花岗岩钾长石含量与渗透性系数的拟合优度为0.988，斜长石含量与渗透系数的拟合优度为0.975，黑云母含量与渗透性系数的拟合优度为0.912。3种矿物成分含量与渗透系数均呈负相关。其中，钾长石、黑云母含量与渗透系数的相关性较好，斜长石的拟合效果一般。这一结果说明花岗岩风化作用对渗透性的影响显著，且花岗岩风化过程中，钾长石、斜长石、黑云母等化学稳定性较差或一般的矿物的含量与渗透系数的变化具有一定的相关性。