花崗巖礦物組成與其單軸抗壓強度的相關性研究

袁廣祥，張路青，曾慶利，李建勇，黃志全，王洪建，鄧緒彪

(1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046；2.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049)

花崗巖是地球大陸地殼的重要組成部分，也是地球區(qū)別于太陽系內其他行星的標志之一[1]，我國花崗巖類出露面積約占全國陸地總面積的9%[2]。花崗巖巖基具有規(guī)模巨大、產狀穩(wěn)定、質地均一、強度高、滲透性差等優(yōu)點，許多大型工程尤其是涉及國家安全與社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、資源性工程，將花崗巖地區(qū)作為其場址首選區(qū)。如世界多個國家地下石油儲備庫都修建在花崗巖體中，我國于1979年在山東黃島花崗巖體中修建了第一座地下水封石油儲備庫[3]；高放廢物地質處置庫的選址，花崗巖地區(qū)也是世界許多國家的首選，我國先后對甘肅北山[4]、內蒙古阿拉善[5～6]、新疆阿奇山[7]等地的花崗巖進行了選址勘察。我國目前幾個重大科學裝置選址均以花崗巖作為其圍巖或地基[8～10]，開展花崗巖的力學性質研究具有重大意義。

礦物是巖石的“細胞”，決定了其物質屬性[11]，因此，花崗巖的礦物組成是其力學性質的基礎。Johansson[12]認為礦物顆粒大小、云母含量及微裂隙是影響花崗巖力學性質的主要巖石學特征；于慶磊等[13]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)研究了花崗巖內部結構的細節(jié)對其強度影響明顯，但對其變形影響不大；李曉鄂等[14]通過對三峽壩址區(qū)閃云斜長花崗巖力學性質的微觀分析，認為巖石的力學性質是由其礦物成分及其含量、礦物間的膠結程度決定的；Tugrul等[15]通過對土耳其一些地方的花崗巖進行了研究，發(fā)現(xiàn)花崗巖的強度隨平均粒徑的減小而增高，石英含量是影響巖石力學性質最重要的因素；Prikryl[16]對捷克波希米亞波希米亞高地的花崗巖進行了研究，發(fā)現(xiàn)花崗巖的單軸抗壓強度與礦物顆粒的大小有密切關系，強度各向異性取決于顆粒排列方向；Keikha等[17]研研究了伊朗東部2種類型的花崗巖，發(fā)現(xiàn)巖石的力學性質是其巖石學特征(礦物顆粒大小、礦物成分以及高強度礦物與軟弱礦物的比值)的反映；Makani等[18]建立了法國上加龍省花崗巖礦物組成與其物理力學性質之間的關系，發(fā)現(xiàn)長石、綠泥石和石英的含量對其物理力學性質影響顯著，石英含量越多巖石強度越大，云母和長石含量越多巖石強度越低；孫皓等[19]對單軸壓縮條件下花崗巖變形破壞過程中不同礦物成分的變化特征進行了研究，分析了不同變形階段不同方向應變的變化特征與礦物成分分布的關系。這些研究成果說明花崗巖的礦物含量、粒徑與其力學性質具有明顯的相關性。本次研究針對高放核廢料處置庫內蒙古阿拉善預選區(qū)巴彥諾日公花崗巖體開展，判斷這一地區(qū)花崗巖礦物組成與力學性質之間的關系。

1 試驗方案

1.1 樣品的選取

試驗樣品從高放核廢料處置庫內蒙古阿拉善預選區(qū)諾日公花崗巖體的2個鉆孔巖芯中采取，2個鉆孔孔深為602 m[5]。在0～500 m深度范圍內按照每隔約50 m取1組樣品；若遇到某深度處巖性發(fā)生變化，該巖性的巖芯至少選取1組樣品；2個鉆孔共取得22組巖石樣品(表1)。

1.2 巖石薄片鑒定

根據(jù)《巖礦鑒定技術規(guī)范》(DZ/T 0275.2—2015)[20]，選取長度大于60 mm、與物理力學實驗巖樣相同深度、相同巖性的樣品切割薄片。采用XPT-7型偏光顯微鏡對薄片進行觀測，獲取花崗巖的礦物組成及其特征。

該區(qū)花崗巖的主要礦物成分是鉀長石、斜長石和石英，次要礦物是黑云母(表1)。鉀長石呈長柱狀、長條狀自形半自形分布，簡單雙晶可見，粗粒至細粒不等粒不規(guī)則粒狀分布，無規(guī)律，具輕微泥化格狀雙晶發(fā)育，含量為25.0%～58.0%。斜長石是主要造巖礦物之一，灰白色，屬中酸性斜長石，以更長石為主，中至細粒半自形至它形粒狀，分布無序，常組成不規(guī)則狀集合體，部分包裹于鉀長石中，基本新鮮，具稀疏、鱗片狀絹云母化，聚片雙晶較發(fā)育，部分具較明顯的環(huán)衛(wèi)狀結構，含量為14.0%～33.0%。石英為中至細粒不規(guī)則粒狀，無序穿插于斜長石粒間，不規(guī)則裂隙較發(fā)育，波狀消光現(xiàn)象普遍，呈他形分布在長石和黑云母顆粒間，部分石英呈交代穿孔結構分布在長石顆粒間，顆粒懸殊較大，含量為20.0%～46.0%。黑云母為細粒自形或不規(guī)則片狀，粒度粗細不一，或呈分散片狀至片狀集合體穿插于長石及石英粒間，常局部包于斜長石邊緣或包于鉀長石和石英中，分布普遍，但不太均勻，多色性明顯，部分綠泥石化，含量為2.0%～10.5%。

該區(qū)花崗巖顆粒尺寸變化較大，據(jù)薄片觀測統(tǒng)計，鉀長石粒徑最小值為0.45 mm，最大值為6.5 mm；斜長石粒徑最小值為0.5 mm，最大值為3 mm；石英粒徑最小值為0.08 mm，最大值為4.0 mm；黑云母粒徑最小值為0.25 mm，最大值為2.0 mm。光學顯微鏡下觀察表明，試件中礦物顆粒尺寸多數(shù)大于0.3 mm。

1.3 單軸壓縮試驗

單軸壓縮試驗按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)[21]進行。首先將取回的巖芯(直徑為63 mm)加工成直徑50 mm、高100 mm 的圓柱型標準巖樣。在進行力學試驗前進行了密度試驗，平均密度是2.637 g/cm3。

表1 取樣深度及礦物組成Table 1 Depth and mineral composition of the rocks tested

采用MTS815電液伺服試驗機，對標準圓柱形巖樣(Φ50×100 mm)進行單軸壓縮試驗，試樣徑向應變采用環(huán)向引伸儀測定，試驗過程中采用應變控制加載速度，其加載速率為10-5/s。首先采用軸向應變控制，當軸向應變達到0.15%～0.3%時，自動切換為環(huán)向應變控制，可有效防止試件在接近峰值應力時出現(xiàn)的突然爆裂，從而使儲存在巖石中的彈性應變能緩慢釋放出來，以獲得全應力-應變曲線，進而求出單軸抗壓強度Rc(圖1)。單軸壓縮試驗的峰后階段，隨著軸向承載力降低，巖樣軸向變形沒有增加，反而逐漸減小。造成這種現(xiàn)象的原因非巖石材料本身的力學特性，而是試驗機加載控制方式不當造成的一種假象，由于剛性試驗機控制的響應頻率跟不上巖石應變速率的緣故。

2 相關性分析

2.1 礦物含量與單軸抗壓強度之間的關系

圖1 試樣NRG01-6 單軸壓縮應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of specimen NRG01-6 in the uniaxial compressive test

圖2 礦物含量(直方圖)與單軸抗壓強度的關系Fig.2 Bar chart showing the relationship between the percentage of minerals and the uniaxial compressive strength

巖石中礦物含量直接影響力學性質。如圖2所示，宏觀上，花崗巖的單軸抗壓強度的變化趨勢與鉀長石含量的變化基本趨于一致，與黑云母含量的變化趨勢則相反。圖3為鉀長石含量和單軸抗壓強度的關系，雖然二者不能建立明顯的數(shù)學關系式，但可以看出二者具有明顯的正相關，所有數(shù)值點均位于圖3中2 條相互平行的直線之間。而且，如果只針對中?；◢弾r，鉀長石含量和單軸抗壓強度具有明顯的線性正相關(圖4)，但在似斑狀花崗巖中這種關系不太明顯。斜長石與單軸抗壓強度沒有明顯的相關性，但含量超過21%時，二者具有明顯的線性負相關(圖5)。針對似斑狀花崗巖，含量在24%時出現(xiàn)峰值。理論上，由于石英的強度較大，含量越多，巖石強度就越大。實際上，從圖4中很難看出石英含量與花崗巖的單軸抗壓強度的相關性。但針對中?；◢弾r，二者明顯負相關(圖6)；針對似斑狀花崗巖，二者具有的相關性不明顯，但含量25%時，單軸抗壓強度最大。圖7為黑云母含量和單軸抗壓強度的關系，很難建立黑云母的含量與單軸抗壓強度的數(shù)學關系式，但二者的負相關關系很明顯。中?；◢弾r中這種負相關關系更明顯(圖8)。

圖3 鉀長石含量與單軸抗壓強度的關系Fig.3 Relationship of the percentage of K-feldspar and the uniaxial compressive strength

圖4 中?；◢弾r中鉀長石的含量與單軸抗壓強度的關系Fig.4 Relationship between the percentage of K-feldspar and the uniaxial compressive strength of medium grained granite

圖5 斜長石含量與單軸抗壓強度的關系Fig.5 Relationship between the percentage of plagioclase and the uniaxial compressive strength

圖6 中?；◢弾r石英含量與單軸抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between the percentage of quartz and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

圖7 黑云母含量與單軸抗壓強度的關系Fig.7 Relationship between the percentage of biotite and the uniaxial compressive strength

圖8 中?；◢弾r黑云母含量與單軸抗壓強度的關系Fig.8 Relationship between the percentage of biotite and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

2.2 礦物粒徑與力學性質之間的關系

巖石中礦物粒徑變化較大(表1)，研究礦物粒徑與單軸抗壓強度之間的關系時，分別考慮各個礦物最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑(圖9)。從圖9可以看出，花崗巖的單軸抗壓強度與鉀長石和斜長石的粒徑具有一定的負相關，而與石英和黑云母的粒徑的相關性不明顯。

針對中?；◢弾r，鉀長石和斜長石的最小粒徑與其單軸抗壓強度具有比較好的正相關，而斜長石最大粒徑與其是負相關的關系；石英顆粒粒徑與單軸抗壓強度之間是負相關的關系，其中最大粒徑與其相關性很好(圖10)，而黑云母粒徑與其單軸抗壓強度沒有明顯的關系。盡管統(tǒng)計的所有中?；◢弾r的鉀長石最大粒徑與單軸抗壓強度關系不明顯，但去除單軸抗壓強度的最大值和最小值后，二者的相關性卻非常明顯，表現(xiàn)為線性負相關(圖11)。

針對似斑狀花崗巖，鉀長石、斜長石、石英的最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑與單軸抗壓強度均具有一定的負相關，但相關性不明顯。

由上文分析可知，花崗巖的單軸抗壓強度與礦物含量、粒徑具有相關性，只針對中粒花崗巖，則二者的相關性較好。說明巖石結構對花崗巖的力學性質有明顯的影響。對比巖樣及試驗結果(表2)也可以發(fā)現(xiàn)，似斑狀花崗巖和中?；◢弾r的峰值強度之間差異明顯。中?；◢弾r的強度明顯高于似斑狀花崗巖的強度。如試件N2-16和N2-17，2種試件的礦物含量基本相同、巖性相同。但N2-17試件顆粒粒徑較大，且大小不均，而N2-16試件礦物顆粒粒徑較小，且相對均一。這2組試件的單軸抗壓峰值強度相差超過30%。

表2 單軸壓縮試驗結果與粒徑相關關系統(tǒng)計分析Table 2 Relationship between the uniaxial compressive strengths and grain sizes

試件N2-14和N2-15的礦物的含量以及粒徑大小基本相同，其峰值強度卻相差7.64%。說明巖石的強度對于其內部結構的細節(jié)(如微裂隙、礦物排列、膠結等)非常敏感。

圖9 礦物最大、最小和平均粒徑(直方圖)與單軸抗壓強度的關系Fig.9 Bar chart showing the relationship among the maximum, the minimum and the average grain size with the uniaxial compressive strength

圖10 中?；◢弾r石英最大粒徑與單軸抗壓強度的關系Fig.10 Relationship between the maximum grain sizes of quartz and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

圖11 中粒花崗巖鉀長石最大粒徑與單軸抗壓強度的關系Fig.11 Relationship between the maximum grain size of K-feldspar and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

3 結論

(1)花崗巖的礦物組成中，對其力學性質影響最大的是鉀長石和黑云母， 其中鉀長石含量與力學性質呈正相關，而黑云母呈負相關。只針對中?；◢弾r時，這種相關性非常明顯。

(2)花崗巖中斜長石和石英含量對其力學性質的影響不明顯，但在似斑狀花崗巖中斜長石和石英含量分別為24%和25%時出現(xiàn)峰值。

(3)花崗巖的單軸抗壓強度與鉀長石和斜長石的粒徑具有一定的負相關，而與石英和黑云母的粒徑的相關性不明顯。只針對中粒結構時，花崗巖的單軸抗壓強度與各礦物粒徑之間的相關性明顯，體現(xiàn)了結構對力學性質的影響。

(4)花崗巖強度不僅僅取決于組成礦物含量和粒徑，對于其內部結構的細節(jié)(如微裂隙、礦物排列、膠結等)非常敏感。因此，僅僅考慮組成礦物含量或粒徑，其相互關系式的回歸系數(shù)并不是很大。