鄭明雄，申岳龍

(1.昆明理工大學(xué) 計(jì)算中心，昆明 650500 2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

1 概述

由于具有火成巖的物質(zhì)成分和沉積成巖過程，凝灰?guī)r是一種特殊的巖石。同時(shí)，很多凝灰?guī)r還是高膨脹易分解的特殊軟巖，分布十分廣泛。軟弱水敏凝灰?guī)r與很多金屬礦山緊密相關(guān)并對這些地區(qū)的勘查和開發(fā)產(chǎn)生十分不利的影響。有必要研究凝灰?guī)r的膨脹和分解機(jī)理，以對涉凝灰?guī)r工程應(yīng)用提供參考。

貴州省興義市貞豐縣皂凡山毗鄰紫金礦業(yè)水銀洞金礦，與水銀洞金礦直線距離約4 km，保田項(xiàng)目部位于該地。該地區(qū)大地構(gòu)造位于華南褶皺系右江褶皺帶西延部分與楊子準(zhǔn)地臺西南緣重合地帶，礦區(qū)是滇黔桂“金三角”系列卡林型金礦之一[1]。該地區(qū)出露凝灰?guī)r是一種典型遇水快速分解性凝灰?guī)r。凝灰?guī)r呈深灰色，灰質(zhì)細(xì)膩，在水中5分鐘內(nèi)完全分解，分解物呈較均勻的細(xì)微片狀和粉末狀。

目前，針對滇黔桂“金三角”地區(qū)和水銀洞地區(qū)的地質(zhì)調(diào)查和研究較多[1-4]，認(rèn)為該地區(qū)具有很好的卡林型金礦前景，但是對于該地區(qū)廣泛分布的遇水高分散性凝灰?guī)r的研究很少。在勘查鉆井時(shí)，凝灰?guī)r可能給鉆井帶來非常不利的影響，嚴(yán)重時(shí)可造成卡鉆，如云南瀾滄鉛礦即由于凝灰?guī)r發(fā)生卡鉆事故。故有必要認(rèn)知皂凡山地區(qū)凝灰?guī)r的特性和分散機(jī)理，為涉凝灰?guī)r工程應(yīng)用提供參考，在含凝灰?guī)r地區(qū)能及時(shí)采取有效的預(yù)防措施。同時(shí)，局部地點(diǎn)凝灰?guī)r分散性研究是研究區(qū)域高分散性凝灰?guī)r共性的一部分。

2 物質(zhì)因素

元素及礦物成分是凝灰?guī)r物理化學(xué)特性的基礎(chǔ)。選取典型凝灰?guī)r制成原樣粉末，分別進(jìn)行XRD和XRF測試。XRF測試結(jié)果如表1所示，XRD檢測結(jié)果如表2所示。

表1 皂凡山凝灰?guī)r元素含量分析

由表1知，皂凡山凝灰?guī)r中主要元素為O、Si、Al、Fe、S、K，總的含量高達(dá)97%，可估計(jì)凝灰?guī)r中主要成分為石英、硅酸鹽礦物及黃鐵礦，其它成分占比較小。XRF僅可做定性參考，各礦物成分的比例由XRD測試定量確定(表2)。

表2 皂凡山凝灰?guī)r的主要礦物含量

根據(jù)XRD測試結(jié)果，皂凡山凝灰?guī)r中含有的礦物主要為石英、白云母、金云母、黃鐵礦及高嶺石，占絕對比例。其中白云母、金云母和高嶺石占40.5%，占比非常大。云母類礦物與黏土同屬硅酸鹽礦物，具有類似黏土的性質(zhì)，其與黏土一樣具有相近的礦物分子結(jié)構(gòu)、類似的微片層結(jié)構(gòu)、極強(qiáng)的親水性等性質(zhì)，其X衍射礦物特征峰與伊利石十分接近。白云母極易水化后轉(zhuǎn)變成伊利石，伊利石還可以向蒙脫石和高嶺石等高膨脹黏土礦物轉(zhuǎn)化[5-9]。高比例的硅酸鹽礦物和黏土礦物，是皂凡山凝灰?guī)r膨脹分解的最重要原因。

同時(shí)，由取樣現(xiàn)場凝灰?guī)r分布變化來看，山丘頂部坡面出露凝灰?guī)r質(zhì)地較純，沿坡向下凝灰?guī)r逐步粘土化。該現(xiàn)象與地勢低矮處水分含量相對較高有極大關(guān)系，云母水化中水扮演了重要角色，風(fēng)化過程伴隨水化過程。黏土化對該地區(qū)的勘查鉆井工作極為不利，鉆井防塌應(yīng)以防黏土和硅酸鹽分散為主。

另外，皂凡山凝灰?guī)r中含有較大比例的黃鐵礦。黃鐵礦是一種強(qiáng)還原性礦物，低價(jià)硫的氧化生成硫酸。pH測試表明，皂凡山凝灰?guī)r的水分解液的pH值可低至2，在云貴地區(qū)多處高分解性凝灰?guī)r中酸性最強(qiáng)，這與該地凝灰?guī)r中黃鐵礦比例較高有關(guān)。強(qiáng)酸對皂凡山凝灰?guī)r產(chǎn)生刻蝕作用，并進(jìn)一步和其它礦物進(jìn)行化合反應(yīng)產(chǎn)生硫酸鹽，特別是FeSO4含量較高。硫酸及硫酸鹽在多水環(huán)境中溶解流失，溶蝕作用使得凝灰?guī)r骨架更松散、孔隙進(jìn)一步發(fā)育。實(shí)際工程應(yīng)用中，抗氧化措施可和疏水控水相結(jié)合。在鉆井液中多為堿性環(huán)境，故勘察鉆井時(shí)還需注意中和凝灰?guī)r帶來的強(qiáng)酸性。

3 微觀結(jié)構(gòu)因素

肉眼可見皂凡山凝灰?guī)r非常細(xì)膩均勻和致密，但是在水中分解特別快。由于凝灰?guī)r的遇水快速軟弱化，薄片不易制得并必然損壞巖石原生形態(tài)結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡并不合適觀測凝灰?guī)r，采用SEM是最好的觀測方法。由SEM可見凝灰?guī)r的主要特征微結(jié)構(gòu)是片層結(jié)構(gòu)(圖1)，這是云貴地區(qū)高分界性凝灰?guī)r都有的微觀形態(tài)，是黏土礦物和類黏土礦物的典型結(jié)構(gòu)。能譜檢測結(jié)果表明(圖2)，片層元素主要為O、Si、Al以及少量的S、K，結(jié)合樣品的XRD檢測結(jié)果，可以推斷片層主要為云母。凝灰?guī)r內(nèi)部孔隙裂縫發(fā)育(圖3～4)。孔隙主要為礦物粒間孔，由火山玻璃質(zhì)脫?；纬珊脱趸芪g產(chǎn)生。

微片層結(jié)構(gòu)普遍存在于各地高膨脹易分解凝灰?guī)r中，片層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)親水性礦物具有較大的毛管壓力，可使得水迅速進(jìn)入凝灰?guī)r微結(jié)構(gòu)，不對稱的硅氧四八面體分子結(jié)構(gòu)遇水時(shí)微片具有卷曲力，使得凝灰?guī)r遇水迅速松散化而強(qiáng)度喪失，并伴隨孔隙的快速產(chǎn)生[10]。強(qiáng)親水性微片層結(jié)構(gòu)也是快速分解的重要原因。

圖1 凝灰?guī)r微片層結(jié)構(gòu)

圖2 單個(gè)微片的能譜測試

4 離子溶出因素

由于凝灰?guī)r風(fēng)化氧化后產(chǎn)生硫酸及硫酸鹽，酸及鹽的溶出可加速凝灰?guī)r在水中的分解。為研究離子溶出，本文做了溶出實(shí)驗(yàn)與測試。選取快速分解凝灰?guī)r樣品5 g，置于30 mL蒸餾水中攪拌，2分鐘后過濾獲得液體樣品。對樣品使用ICP-MS測試主要的離子濃度，結(jié)果見表3(取兩位小數(shù))。

圖3 凝灰?guī)r內(nèi)的微孔隙

圖4 凝灰?guī)r內(nèi)的微裂隙

表3 皂凡山凝灰?guī)r的溶出離子

由表3可知，快速完全分解的凝灰?guī)r濾液中，有較多離子溶出。特別是鐵離子濃度非常高，這與該地區(qū)凝灰?guī)r中黃鐵礦占比較大有密切關(guān)系，黃鐵礦氧化生成高酸性硫酸和FeSO4，該地區(qū)金礦中的金也主要附存于黃鐵礦)。由表3可知高分解性凝灰?guī)r在水中分解時(shí)均有較多離子溶出，離子溶出對凝灰?guī)r分解起重要作用[11]。鉆井液防塌時(shí)應(yīng)考慮離子溶出的影響。

5 化學(xué)研究與防塌

本文還對皂凡山凝灰?guī)r做了系列防塌化學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明硅酸根陰離子及鉀銨陽離子對皂凡山凝灰?guī)r具有顯著防塌作用。但是K2SiO3多呈硬塊狀，溶解緩慢，故也可混合使用KCl和Na2SiO3。以上實(shí)驗(yàn)說明鉀鹽等對凝灰?guī)r具有離子交換改性防塌作用。僅使用鹽溶液即能使皂凡山凝灰?guī)r具有較長時(shí)間的穩(wěn)定性，但穩(wěn)定性并不是永久穩(wěn)定(鉀鹽等對一些地區(qū)高分散凝灰?guī)r的改性可使得凝灰?guī)r穩(wěn)定性改變更徹底，重新放于水中仍然不分解)，在數(shù)天后凝灰?guī)r仍然緩慢分解為較松散的塊狀物?？梢妰H僅使用鹽溶液防塌并不夠，為使凝灰?guī)r穩(wěn)定性更好，經(jīng)試驗(yàn)，前期研究的針對高分散性凝灰?guī)r的防塌鉆井液配方對皂凡山凝灰?guī)r更有效[12]。防塌配方為: 本地凝灰?guī)r濾液(中和酸性)+膨潤土+飽和NaCl+K2SiO3(>5%)+NaOH+可溶淀粉+抗氧化劑。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)還表明：皂凡山新鮮凝灰?guī)r在碳酸鹽或碳酸氫鹽中分解迅速(分解速度明顯快于在水中的分解速度)并有氣泡產(chǎn)生，這是因?yàn)槟規(guī)r中的硫酸和碳酸鹽/碳酸氫鹽反應(yīng)生成了CO2，碳酸鹽/碳酸氫鹽對皂凡山凝灰?guī)r有一定的促進(jìn)分解作用，鉆井液中不能使用碳酸鹽/碳酸氫鹽。K2CO3和KHCO3等也具有促進(jìn)分解，陽離子穩(wěn)定作用不及碳酸陰離子分解作用。

6 結(jié)論

1)皂凡山凝灰?guī)r中的白云母、金云母和高嶺石比例合計(jì)達(dá)40.5%，占比很大，大量親水性極強(qiáng)的硅酸鹽礦物是凝灰?guī)r快速分解的物質(zhì)因素。

2)皂凡山凝灰?guī)r普遍具有典型的類黏土微片層結(jié)構(gòu)，水層容易插入，該片層結(jié)構(gòu)有利于凝灰?guī)r在水中的分散。凝灰?guī)r內(nèi)部微孔隙裂縫發(fā)育，也有利于水分在凝灰?guī)r內(nèi)部的快速運(yùn)移。

3)凝灰?guī)r中黃鐵礦占比較大，黃鐵礦氧化產(chǎn)生硫酸和硫酸鹽，硫酸和硫酸鹽對凝灰?guī)r具有溶蝕作用，并使得皂凡山凝灰?guī)r分解液呈強(qiáng)酸性。ICP-MS測試表明凝灰?guī)r在水中短時(shí)間快速分解后有較多離子溶出，離子的快速溶出對本身結(jié)構(gòu)松散的凝灰?guī)r起到加速分散作用。

4)鉀鹽、銨鹽及硅酸鹽對皂凡山凝灰?guī)r具有顯著的離子交換改性穩(wěn)定作用，可混合使用KCl和K2SiO3。而碳酸鹽/碳酸氫鹽具有顯著的促進(jìn)分解作用。鉀離子等陽離子的交換穩(wěn)定作用不及碳酸陰離子的促分解作用。