《武汉工程大学学报》 2015年10期
16-22
出版日期：2015-10-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
金山店铁矿东区膨胀岩形成机理及预测
０ 引 言金山店铁矿东区自－２７０ ｍ水平放顶以来，由膨胀岩引起了一系列工程地质灾害. 如，－３４０ ｍ中段电梯因缩井而提前报废，－２９８ ｍ、－３１２ ｍ分段联络道与进路一掘即冒，成巷率极低；－４１０ ｍ中段矿石溜井几乎全部垮塌，运输大巷多处出现大面积冒顶. 根据塌陷地段及已揭露工程的地质调查分析，东区膨胀岩体地段，工程地质特征表现在：膨胀岩体分布范围广，断层和破碎带穿过的地段，一般形成极强膨胀性岩体；在节理分布稀疏基本完整膨胀岩体中开掘工程，易于出现误判，使得支护不及时或强度不够，随着时间推移，往往导致围岩出现大面积垮落. 曲永新等按成因将膨胀岩分为：泥质类膨胀岩，断层泥类膨胀岩，含硬石膏、无水芒硝类膨胀岩，蒙脱石化侵入岩类膨胀岩和蒙脱石化凝灰岩类膨胀岩［１－２］. 在膨胀岩类鉴定上，主要有矿物学法、岩石化学法、物理学法，用得比较多的是前两种. 曲永新按不规则岩块干燥饱和吸水率来判别岩石的膨胀性［３］，朱训国以膨胀岩中亲水矿物含量，并辅以岩块干燥饱和吸水率、极限膨胀量、极限膨胀力指标进行岩石膨胀性分类［４］. 只有弄清东区膨胀岩形成机理，才能正确预测膨胀岩分布范围，为开拓、采准工程布置位置的选择，及井巷工程支护方式确定提供依据. 本文采用Ｘ射线衍射法检测膨胀岩中膨胀矿物的种类及含量，使用电镜扫描法进行膨胀岩的岩相鉴定，利用能谱法检测膨胀岩中元素的含量，以此确定膨胀岩的原岩. 在此基础上，根据工程地质，膨胀岩形成的物质基础和动力条件推断膨胀岩形成机理、发育规律，并预测膨胀岩体分布范围. １ 工程背景东区控矿层位有三迭系中统灰岩组（Ｔ２）和三迭系下统大冶群的第五岩性段至第七岩性段（Ｔ１ｄｙ５－７），主要由白云质灰岩和白云岩组成，镁元素含量较高，ｗ（ＭｇＯ）＝８．７％～８．７６％，且地下水中Ｍｇ２＋的含量也比较高. 东区岩浆岩的原始岩浆属过渡型的碱钙性Ⅰ型花岗岩浆，它是燕山早期第二段第二次和燕山晚期第二次上侵活动形成的中浅成侵入杂岩体. 围岩蚀变较强烈，各蚀变带蚀变强度以控矿断裂、构造破裂带两侧强度最大，而且蚀变强度与矿体规模有着一定的依赖关系. 东区围岩构造复杂，二级断裂较多. 东区下盘围岩构造形迹主要表现为走向近东西的断裂带，可见四条相互平行排列的主干断层Ｆ１～Ｆ４，对矿体下盘围岩破坏严重. 层间滑动破碎带位于东区Ｔ２－３ｐｑ与Ｔ２＋Ｔ１ｄｙ７地层分界线附近，在该两组地层间因岩性差异较大故发生滑动. 破碎带产状与地层产状一致，沿破碎带磁铁矿化、矽卡岩化及蛇纹石化强烈，或被磁铁矿体、矽卡岩体所占据，两侧岩体碎裂厉害. 成矿后挤压破碎带位于东区南侧１００ ｍ范围内，发育有２～３条东西走向的挤压破碎带. 破碎带宽约７～１５ ｍ，走向长４００～６００ ｍ，倾向南，倾角６０°～７５°. 该破碎带的特点是位移不大，岩石中节理裂隙纵横交错，特别是碳酸盐网脉每厘米可达３～８条，夹有糜棱岩０．３～１ ｍ. 矿体下盘岩浆岩本身并不含水，但是遇上规模较大、延伸较远的构造断裂而又沟通了含水带时，则可以产生突水. ２００６年８月２４日，－ ４１０ ｍ水平１７５＃Ｗ１３０处巷道顶板出现涌水，涌水量２５ ｍ３/ｈ，时间为４６ ｄ. ２００７年３月２０日，－ ４１０ ｍ水平１８０＃Ｓ１７６ ｍ工作面突发涌水，涌水量高达１７０ ｍ３/ｈ. 东区下盘岩体节理裂隙发育，这些节理与断层存在水力联系，构成一个充水网络. 根据钻孔不同深度取水样进行分析，地下水化学类型及矿化度见表１. 由表１可知，相对于西区的ＣＫ２３８孔水文监测资料，可以看出，东区地下水中Ｍｇ２＋含量比西区高一倍左右. 表1 地下水质分析Table 1 Quality analysis of the ground water２ 膨胀矿物与膨胀岩的原岩２．１ 膨胀矿物检测在膨胀岩巷道工作面进行采样，分别选取完整岩样５块，编号１－５，明显膨胀岩样２块，编号６－７. 采用Ｘ射线衍射法，检测膨胀岩中膨胀矿物的种类及含量. 部分岩样检测频谱见图１.依据岩样Ｘ射线衍射检测结果，膨胀岩中矿物组分及含量见表２. 图１ ４＃岩样Ｘ射线衍射检测图谱 Ｆｉｇ．１ Ｘ ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ pattern ｏｆ ｔｈｅ ４＃ ｓａｍｐｌｅ 表2 膨胀岩矿物组分及含量Table 2 Mineral composition and content of the expansive rock w/%由表２可见，岩样中膨胀矿物主要有蒙脱石、伊利石和高岭石，三者之和在１５％～４０％之间，以蒙脱石为主. 其中６＃岩样是强膨胀岩，膨胀矿物全为蒙脱石. 蒙脱石属强膨胀矿物，伊利石次之，高岭石再次. 根据曲永新提出的分类标准［５］，蒙脱石含量大于７％即为膨胀岩，因此上述岩样全为膨胀岩.２．２ 膨胀岩岩相鉴定采用电镜扫描法，分别就３＃、５＃和７＃岩样进行了岩相鉴定，其中７＃岩样蒙脱石化严重，部分结果见图２～图３．图２ ３＃岩样切片扫描结果Ｆｉｇ．２ Ｓｌｉｃｅ ｓｃａｎnｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ３＃ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ图３ ７＃岩样切片扫描结果Ｆｉｇ．３ Ｓｌｉｃｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ７＃ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ鉴定结果为，岩样呈斑状结构，斑晶为斜长石（１０％～１５％），黑云母（１０％），石英（５％）；基质为斜长石（５０％～７０％），钾长石（２％～１０％），石英（３％～１０％）. 综合各方面特征，膨胀岩原岩为石英闪长岩.２．３ 膨胀岩化学法检测２．３．１ 膨胀岩化学元素及含量 采用电子能谱仪（ＥＤＳ）检测岩样中的化学元素及其含量，仪器型号ＩＳＭ－５５１０ＬＶ. 部分检测能谱见图４～图５. 检测结果及分析见表３. 依表３，进行岩样元素含量比对，见图６. 图４ ３＃岩样检测能谱图Ｆｉｇ． ４ Ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ３＃ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ图５ ７＃岩样检测能谱图Ｆｉｇ． ５ Ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ７＃ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ由图６可见，３种岩样所含元素含量走势基本一致，仅Ｓｉ、Ｃａ、Ａｌ等元素的含量差别较大. 由于７＃岩样比３＃和５＃岩样的蚀变强烈，表现出氧化铝的含量降低，而氧化镁含量增高的明显趋势，符合火成岩同晶置换时元素的变化规律性［６］. ２．３．２ 膨胀岩原岩的确定 膨胀岩主要元素分析，一般以元素的氧化物质量分数的形式表达. 依据表３检测结果与东区地质勘探报告上出现的三大类岩石进行氧化物比对，通过误差分析最后确定膨胀岩的原岩. 由于７＃岩样蒙脱石化严重，使用３＃和５＃岩样元素含量均值与各种岩石进行比对. 参与比对的岩类有角岩、砂岩、页岩、矽卡岩、火成岩等类别. 部分岩类与岩样比对见图７～图９. 表3 岩样化学元素分析 Table 3 Chemical element analysis results of the rock samples w/%图６ ３＃、５＃、７＃岩样元素对比Ｆｉｇ．６ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ３＃，５＃ and ７＃ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅs 图７ 岩样与砂岩元素比对Ｆｉｇ．７ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｓａｎｄ ｒｏｃｋ图８ 岩样与矽卡岩元素比对Ｆｉｇ． ８ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｓｋａｒｎ图９ 岩样与火成岩元素比对Ｆｉｇ． ９ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｉｇｎｅｏｕｓ ｒｏｃｋ表4 火成岩、变质岩矿物含量与岩样比对结果Table 4 Mineral content comparison of the samples,igneous rock and metamorphic rock由图７～图９可见，从变化趋势上来看，岩样与变质岩中的英长角岩、变余砂岩和泥质角岩比较吻合；岩样与矽卡岩比对的结果比较分散，基本上可以排除膨胀岩的原岩是矽卡岩的可能性；岩样与火成岩变化趋势一致. 为了进一步弄清膨胀岩的原岩，将上述初选岩石与岩样进一步进行比对. 将初选岩石、全部火成岩与岩样进行比对，根据误差大小，确定膨胀岩的原岩，结果见表４. 为了避免因元素含量不同而影响方差的大小，将原岩和岩样中各元素氧化物的含量进行归一化处理，通过比对原岩与岩样的含量，计算其方差，以方差的大小确定其偏离程度. 同时，考虑原岩在低温热液蚀变过程中表现出“失Ａｌ３＋增Ｍｇ２＋”的规律，及岩相分析的结果，进行综合分析，最后确定膨胀岩的原岩. 由表４可见，岩样矿物检验结果表明，膨胀岩与东区出现的石英二长岩最接近，但岩相研究表明，岩样中钾长石与斜长石的含量差别较大，故可以排除石英二长岩的可能性. 花岗闪长岩中的Ｓｉ含量比岩样中Ｓｉ含量高，可能性不大. 岩样与石英闪长岩接近，符合“失Ａｌ３＋增Ｍｇ２＋”的规律. 综上所述，经比对，变质岩中最有可能成为膨胀岩体原岩的是泥质角岩，但均方差大于石英闪长岩比对的结果，由此可见，该膨胀岩体的原岩为石英闪长岩. ３ 膨胀岩形成机理３．１ 膨胀岩体的低温热液蚀变形成机理东区矿体下盘围岩分别为二长花岗岩、石英闪长岩、大理岩和角岩，控矿地层和地下水中Mg2+的含量比较高，在岩浆后期低温热液变质作用下，石英闪长岩（斑状石英闪长岩?仔?啄■■）发生火成岩蒙脱石化蚀变，形成厚度达８０～１００ ｍ的蚀变带，离矿体越近蚀变越剧烈. 蒙脱石化的斑状石英闪长岩属于中膨胀性至弱膨胀性岩石，如果膨胀岩中节理裂隙充填膨胀剥蚀物厚度大于５ ｍｍ，则变为强膨胀性岩石. ３．２ 强膨胀岩体的地质构造形成机理东区下盘围岩构造复杂，二级断裂较多. 下盘围岩中存在四条走向近东西的主干断裂带Ｆ１～Ｆ４，成矿后期发育有２～３条与Ｆ３或Ｆ４相平行排列的挤压破碎带，破碎带宽约７～１５ ｍ，走向长４００～６００ ｍ，倾向南，倾角６０°～７５°. 这些结构面穿过东区下盘已蒙脱石化的石英闪长岩体，并与外界构成水力联系. 发生碳酸盐化、绿泥石化、赤铁矿化和片理化，形成断层泥、破碎带、层间滑动带、矿岩接触带类膨胀岩类型. 破碎带、断裂带、矿岩接触带、及充填于节理裂隙中的膨胀剥蚀矿物属于剧膨胀岩. ３．３ 近矿膨胀岩的接触热力变质形成机理近矿围岩，由于有铁质元素参加，主要发生接触热力变质作用、接触交代变质作用，形成绿泥石化膨胀岩，厚度在５ ｍ左右. 近矿围岩蚀变较强烈，各蚀变带蚀变强度以在控矿断裂、构造破裂带两侧强度最大，而且蚀变强度与矿体规模存在一定的依赖关系. 沿矿岩接触带磁铁矿化、矽卡岩化及蛇纹石化强烈，或被磁铁矿体、矽卡岩体所占据. ４ 膨胀岩体发育规律及预测经工程地质调查分析，膨胀岩体发育表现出一定的规律性：ａ．大理岩层被石英闪长岩侵占缺失，该处石英闪长岩易于蚀变为膨胀岩. 地质报告表明，大理岩层位比较稳定，除了被Ｆ３断层错断，其他部位都是比较完整的. 该层平均厚度４０～７０ ｍ，最宽９０ ｍ. 因此，膨胀岩范围可以藉此尺寸进行圈定. ｂ．膨胀岩分布的条带性. 现场调查结果表明，近矿膨胀岩蒙脱石化强烈，属剧膨胀岩，厚度在５ ｍ左右，远离矿体的膨胀岩蒙脱石化逐渐减弱，表现出较强的条带性；近东西向切割膨胀岩体的断层、破碎带，本身表现为粉状膨胀岩，属于剧膨胀岩. 近断层和破碎带岩层为碎裂状膨胀岩体，远离之则为块状膨胀岩体. ｃ．膨胀岩的膨胀性与岩体的破裂程度有关. 受地质构造运动的影响，蒙脱石化的岩体破裂程度不一致，节理裂隙发育地段，膨胀岩蒙脱石化强，表现出剧膨胀岩、强膨胀岩的性质，相反，岩体完整地段，膨胀岩膨胀特性表现弱. ５ 结 语经Ｘ射线衍射试验、电镜扫描岩相鉴定和电子能谱测试，膨胀矿物主要是蒙脱石，其次为伊利石和高岭石，膨胀岩的原岩是石英闪长岩. 东区膨胀岩形成机理有：膨胀岩体的低温热液蚀变形成机理、强膨胀岩体的地质构造形成机理、近矿强膨胀岩的热力接触变质形成机理. 膨胀岩体发育表现出大理岩层被石英闪长岩侵占则极易形成膨胀岩，膨胀岩分布的条带性，膨胀岩的膨胀性与岩体的破裂程度呈正比. 致 谢感谢国家自然科学基金委员会的资助！