一種花崗巖蝕變分帶的地球化學判別方法與流程

本發明屬于地質工程技術領域，具體涉及一種花崗巖蝕變分帶的地球化學判別方法。

背景技術：

地殼內部存在大量熱液流體，當這些流體沿著一定的通道進入到成分和物理化學條件與其有很大差別的巖石體系后，便會與之發生化學反應，使得這些巖石的化學成分、礦物成分以及結構構造都發生很大改變，形成新的巖石，這一過程稱之為交代作用或蝕變作用，所形成的新巖石稱為蝕變巖或交代巖。廣義的蝕變巖包括熱液(壓力)作用以及表生作用等引起的巖石和礦物的各種次生變化而形成的巖石。其中熱液作用包括充填、升華、蒸發、交代等各種作用；表生作用主要包括沉積作用、固結成巖、地下水(包括地下熱水)作用等，其中有90％以上表生作用引起的蝕變減弱了巖石強度。花崗巖是水利、采礦、交通、國防等行業中的主要研究巖石類型，由其形成的蝕變巖問題廣泛存在于工程建設中，如二灘水電站、小灣水電站、滇藏鐵路等重大工程建設中都存在著蝕變巖問題。由于巖石蝕變的機理和形成條件差異，不同區域巖體蝕變程度不同，往往存在明顯的巖體蝕變分帶現象。蝕變程度大的巖體易于形成工程軟弱帶，極易引起壩基、邊坡、地下洞室和隧道等的變形破壞問題，危及施工人員的安全，同時造成工程投資增大，工期延長等問題。巖體蝕變分帶是工程規劃、勘察、設計階段需要考慮的關鍵問題之一。因此，查明花崗巖體蝕變程度及其分布范圍，對巖體進行科學的蝕變分帶研究，對于確保工程的安全與穩定具有重要的理論意義和工程實踐意義。

目前，工程中通常采用肉眼觀察結合地質錘敲擊的方法，判別巖體的蝕變程度及其分布范圍，對巖體進行蝕變分帶。這種方法主觀因素影響大，難以客觀、全面、準確地判別蝕變巖的分帶特征。目前還沒有一種巖體蝕變分帶的定量判別方法。如前所述，蝕變巖形成過程伴隨著巖石礦物成分的改變，因此也造成地球化學特征的改變。本發明首次將巖石地球化學特征引入到巖體蝕變分帶中，旨在提出一種巖體蝕變分帶的地球化學定量判別方法，解決現有技術評價方法單一，人為因素影響大，無法定量評價等問題。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種花崗巖蝕變分帶的地球化學判別方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種花崗巖蝕變分帶的地球化學判別方法，包括以下步驟：

(1)測試范圍與采樣點確定：

根據前期勘測資料和現場地質條件，劃分蝕變巖的測試范圍，確定不同蝕變程度巖體的采樣點位置；測試點間距根據工程分帶精度要求確定，間距越小，蝕變分帶結果越精確；在測試點處標記位置并采集巖石樣品，用于地球化學分析；

(2)巖石樣品分析測試：

分別對巖石樣品的礦物主量元素含量、全巖主量元素含量和全巖微量元素含量進行分析測試；

觀察是否存在礦物蝕變，并初步判定蝕變礦物類型和蝕變程度；

(3)巖體蝕變程度分析：

基于步驟(2)得到的蝕變巖和未蝕變的新鮮巖石分析數據，對比蝕變巖中礦物主量元素含量、全巖主量元素含量以及全巖微量元素含量與新鮮巖石樣品的差異，得到根據不同元素計算得到的蝕變參數，確定蝕變巖蝕變類型和程度，并以此作為巖體蝕變程度的評價依據；

(4)巖體蝕變分帶判別：

基于步驟(3)得到的評價參數，建立巖體蝕變程度定量評價指標，確定巖體蝕變分帶判別準則；依據定量評價指標，對巖體蝕變程度進行定量評價；根據分帶判別準則，對巖體進行蝕變分帶判別。

所述步驟(2)中，巖石樣品的礦物主量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，通過巖石切片機和手工加工制作巖石薄片；

其次，通過顯微鏡觀察巖石薄片，確定組成巖石的主要礦物，估算主要礦物含量，確定巖石類型；

然后，通過顯微鏡觀察，圈定待分析礦物；

最后，采用jeoljxa-8100型電子探針分析巖石樣品的礦物的主量元素含量cmineral-i。

所述步驟(2)中，巖石樣品的全巖主量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，將巖石樣品用瑪瑙球磨機粉粹，稱一定量的粉末樣品于陶瓷坩堝中；

其次，轉移至馬弗爐中，進行灼燒，冷卻后，稱重，獲得燒失量；

然后，稱取灼燒后的樣品和8倍于樣品重量的li2b4o7助熔劑于塑料燒杯中，混勻后轉入鉑金坩堝中；

然后，向鉑金坩堝中加入少量2％libr-1％nh4i溶液，然后放入高溫熔樣機熔融，制成玻璃片；

最后，采用x射線衍射分析儀(xrf)對巖石樣品的全巖主量元素含量進行分析測試，基于xrf分析結果，計算巖體的燒失量(loi)和全巖主量元素含量cmajor-i，其中i為某種元素。

所述步驟(2)中，巖石樣品的全巖微量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，稱取樣品于teflon內膽中，加hno3，搖勻，再加入hf及高純hclo4，封蓋后放入超聲震蕩儀中振蕩，置于電熱板上加熱保溫，然后蒸干；

其次，再次加hno3加蓋，加熱保溫過夜，再加hf和高純hclo4，置鋼套中，在烘箱內加熱；

然后，取出內膽，電熱板加熱蒸至近干，加入hno3，加蓋，超聲振蕩，再次密封并置于鋼套中，高溫條件下加熱，冷卻后，用hno3按1000倍稀釋因數將樣品定容；

然后，稱溶液于離心管中，并加內標溶液，搖勻待測；

最后，采用等離子體質譜儀(icp-ms)對巖石樣品的全巖微量元素含量進行分析測試，基于icp-ms分析結果，確定全巖微量元素含量ctrace-i。

所述步驟(3)中，對于巖性一致的樣品，選取該區域新鮮巖石樣品中全巖元素含量cfmajor-i、cftrace-i和礦物元素含量cfmineral-i作為基準，利用其他樣品全巖主量元素含量cmajor-i與cfmajor-i比較，得到全巖主量元素i的蝕變參數fi＝cmajor-i/cfmajor-i；同理可得全巖微量元素i的蝕變參數fi＝ctrace-i/cftrace-i，所有蝕變元素蝕變參數求和得到全巖蝕變參數f＝∑fi。

所述步驟(4)中，通過加權建立巖體蝕變程度定量評價指標f＝∑wifi，其中，wi為權重系數，對于巖性一致的樣品，i＝1，2，3，4，5…，對于巖性存在差異的樣品，i＝1，2，wi值大小根據測試數據的準確性和可靠性進行賦值，滿足∑wi＝1。

所述步驟(4)中，確定巖體蝕變分帶判別準則具體為：根據現場測試結果，確定巖體蝕變分帶判別準則：若0<f<u1，為全蝕變；若u1≤f<u2，為強蝕變；若u2≤f<u3，為中等蝕變；若u3≤f<u4，為弱蝕變；若f＝1，為未蝕變原巖，其中，u1和u2為分帶系數，其值根據具體工程條件確定。

所述步驟(4)中，判別巖體蝕變分帶特征具體為：首先，基于定量評價指標，計算各測試點的蝕變程度評價指標值，得出各測試點巖體的蝕變程度；然后，依據分帶判別準則，將同一蝕變程度區間的巖體劃分為同一蝕變帶，對巖體進行快速連續蝕變分帶，將巖體劃分為全蝕變帶、強蝕變帶、中等蝕變帶、弱蝕變帶和未蝕變帶。

本發明首次將地球化學數據引入到巖體蝕變分帶判別中，解決現有技術評價方法單一，人為因素影響大，無法定量評價等問題。測試手段先進，判別方法更具新穎性。與傳統的定性經驗方法相比，該方法更具科學性、合理性。

附圖說明

圖1是本發明蝕變分帶的地球化學判別流程圖。

圖2為本發明sio2vs.al2o3巖性差異判定圖。

圖3為本發明長石礦物na2o+k2o+caovs.al2o3未蝕變線判定圖。

圖4為本發明蝕變因子f1變化示意圖。

圖5為本發明mn+cu+znvs.cr+ni未蝕變線判定圖。

圖6為本發明蝕變因子f2變化示意圖。

圖7為本發明巖體蝕變分帶示意圖。

其中，f蝕變程度評價指標，t蝕變分帶判別準則，a1全蝕變帶，a2強蝕變帶，a3中等蝕變帶，a4弱蝕變帶，a5為未蝕變帶。sio2、al2o3分別為樣品全巖sio2和al2o3含量，na2o+k2o+caoinfeldspar、al2o3infeldspar分別為計算得到的長石礦物中na2o+k2o+cao和al2o3含量，f1根據主量元素計算得到的蝕變因子，f表示斷層，mn+cu+zn、cr+ni表示全巖mn+cu+zn和cr+ni含量，f2根據微量元素計算得到的蝕變因子。

具體實施方式

如圖1所示的花崗巖蝕變分帶的地球化學判別方法，包括以下步驟：

(1)測試范圍與采樣點確定：

根據前期勘測資料和現場地質條件，初步劃分蝕變巖的測試范圍，確定不同蝕變程度巖體的采樣點位置；測試點間距根據工程分帶精度要求確定，間距越小，蝕變分帶結果越精確；在測試點處標記位置并采集巖石樣品，用于地球化學分析；

(2)巖石樣品分析測試：

分別對巖石樣品的礦物主量元素含量、全巖主量元素含量和全巖微量元素含量進行分析測試；

觀察是否存在礦物蝕變，并初步判定蝕變礦物類型和蝕變程度；

1.巖石樣品的礦物主量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，通過巖石切片機和手工加工制作巖石薄片；

其次，通過顯微鏡觀察巖石薄片，確定組成巖石的主要礦物，估算主要礦物含量，確定巖石類型；

然后，通過顯微鏡觀察，圈定待分析礦物；

最后，采用jeoljxa-8100型電子探針分析巖石樣品的礦物的主量元素含量cmineral-i，實驗條件為：加速電壓15kv，測試電流20na，束斑直徑為1μm，所有元素的計數時間為20s。分析橄欖石采用的標樣為：si、mg、fe和ni為橄欖石；ti為金紅石；al和ca為石榴石；na為長石；mn為mno。si、fe和mg分析誤差2％，其他元素分析誤差5％。分析輝石采用的標樣為：si、fe、mg和ca為透輝石，k為長石，na和al為硬玉，ni為橄欖石，cr、ti和mn分別為cr2o3、tio2和mno。si、fe、mg和ca的分析誤差2％，其他元素分析誤差5％。數據利用zaf方法進行校正，排除測試過程中的噪音和干擾。

2.全巖主量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，將巖石樣品用瑪瑙球磨機粉粹為200目的粉末，稱一定量的粉末樣品于陶瓷坩堝中；其次，轉移至馬弗爐中，920℃下灼燒3h，冷卻后，稱重，獲得燒失量；

然后，稱取0.53-0.58g灼燒后的樣品和8倍于樣品重量的li2b4o7助熔劑于塑料燒杯中，混勻后轉入鉑金坩堝中；

然后，向鉑金坩堝中加入少量2％libr-1％nh4i溶液，然后放入高溫熔樣機，1200℃熔融，制成玻璃片；

最后，采用分析儀器為rigakurix2000型x-射線衍射分析儀(xrf)對巖石樣品的全巖主量元素含量進行分析測試，基于xrf分析結果，計算巖體的燒失量(loi)和全巖主量元素含量cmajor-i，其中i為某種元素。元素含量通過36種涵蓋硅酸鹽樣品范圍的參考標準物質的雙變量擬合工作曲線獲得，分析精度優于2-5％。

3.全巖微量元素含量分析測試具體包括以下步驟：

首先，稱取約35-45mg樣品于teflon內膽中，加0.6ml1:1hno3，搖勻，再加入0.6mlhf及少量高純hclo4，封蓋后放入超聲震蕩儀中振蕩60min，置于電熱板上100℃加熱保溫2-3天，然后蒸干；

其次，再次加0.8ml1:1hno3加蓋，100℃加熱保溫過夜，再加0.8mlhf和少量高純hclo4，置鋼套中，190℃烘箱內加熱48h；

然后，取出內膽，電熱板加熱蒸至近干，加入4ml4mhno3，加蓋，超聲振蕩30min，再次密封并置于鋼套中，170℃條件下，加熱4h，冷卻后，用3％hno3按1000倍稀釋因數將樣品定容；

然后，稱4g溶液于離心管中，并加4g10ngg-1rh(0.1％hno3)內標溶液，搖勻待測；

最后，采用分析儀器是thermoxseriesii電感耦合等離子體質譜儀(icp-ms)對巖石樣品的全巖微量元素含量進行分析測試，基于icp-ms分析結果，確定全巖微量元素含量ctrace-i，分析精度對于大多數元素優于5％。

(3)巖體蝕變程度分析：

基于步驟(2)得到的蝕變巖和未蝕變的新鮮巖石分析數據，對比蝕變巖中礦物主量元素含量、全巖主量元素含量以及全巖微量元素含量與新鮮巖石樣品的差異，得到根據不同元素計算得到的蝕變參數，確定蝕變巖蝕變類型和程度，并以此作為巖體蝕變程度的評價依據；

所述步驟(3)中，對于巖性一致的樣品，選取該區域新鮮巖石樣品中全巖元素含量cfmajor-i、cftrace-i和礦物元素含量cfmineral-i作為基準，利用其他樣品全巖主量元素含量cmajor-i與cfmajor-i比較，得到全巖主量元素i的蝕變參數fi＝cmajor-i/cfmajor-i；同理可得全巖微量元素i的蝕變參數fi＝ctrace-i/cftrace-i，所有蝕變元素蝕變參數求和得到全巖蝕變參數f＝∑fi。

(4)巖體蝕變分帶判別：

基于步驟(3)得到的評價參數，建立巖體蝕變程度定量評價指標，確定巖體蝕變分帶判別準則；依據定量評價指標，對巖體蝕變程度進行定量評價；根據分帶判別準則，對巖體進行蝕變分帶判別。

所述步驟(4)中，通過加權建立巖體蝕變程度定量評價指標f＝∑wifi，其中，wi為權重系數，對于巖性一致的樣品，i＝1，2，3，4，5…，對于巖性存在差異的樣品，i＝1，2，wi值大小根據測試數據的準確性和可靠性進行賦值，滿足∑wi＝1。

所述步驟(4)中，確定巖體蝕變分帶判別準則具體為：根據現場測試結果，確定巖體蝕變分帶判別準則：若0<f<u1，為全蝕變；若u1≤f<u2，為強蝕變；若u2≤f<u3，為中等蝕變；若u3≤f<u4，為弱蝕變；若f＝1，為未蝕變原巖，其中，u1和u2為分帶系數，其值根據具體工程條件確定。

所述步驟(4)中，判別巖體蝕變分帶特征具體為：首先，基于定量評價指標，計算各測試點的蝕變程度評價指標值，得出各測試點巖體的蝕變程度；然后，依據分帶判別準則，將同一蝕變程度區間的巖體劃分為同一蝕變帶，對巖體進行快速連續蝕變分帶，將巖體劃分為全蝕變帶a1、強蝕變帶a2、中等蝕變帶a3，弱蝕變帶a4和未蝕變帶a5。

由于地質情況的復雜性，一個地區巖性基本不可能完全一致。為了消除巖石礦物組成變化本身造成的主微量元素含量變化對全巖蝕變參數f的影響，選取兩種可反映巖石組成礦物變化、且在蝕變過程中相對穩定的主量元素sio2和al2o3作為基準元素對，若這兩種元素呈十分顯著的負相關關系，如c(sio2)＝-x·c(al2o3)+y(圖2)，則表明該兩種元素含量變化主要由礦物組成變化造成。對于花崗巖來說，全巖al2o3主要來自于黑云母和長石類礦物貢獻，而與蝕變過程緊密相關的na2o幾乎全部由長石類礦物貢獻，cao主要賦存在斜長石和黑云母中，k2o主要賦存在鉀長石和黑云母中，mgo則主要賦存在黑云母中。假定全巖中mgo全部來自于黑云母，則可利用電子探針得到的新鮮巖石樣品中黑云母的元素含量關系如，c(mgo)/c(al2o3)，計算出黑云母對全巖al2o3的貢獻量。再利用樣品全巖al2o3含量扣除黑云母貢獻量則為長石類礦物中所含的al2o3含量。由于花崗巖中堿金屬(na2o+k2o+cao)可認為都由長石礦物貢獻，因此對于新鮮花崗巖來說，全巖堿金屬總量應與長石礦物中al2o3總量成正比。因此利用新鮮樣品可以在相關性圖解中定義未蝕變線，如圖3所示。未落在新鮮樣品定義的未蝕變線上的樣品均認為其堿金屬元素含量受到粘土化蝕變作用影響。利用未蝕變定義的未蝕變函數關系，根據al2o3含量可以計算得到未蝕變情況下樣品長石中na2o、k2o和cao理論含量，然后利用實際含量比理論含量得到主量元素蝕變因子f1(圖4)。

同理，對于新鮮花崗巖樣品，微量元素中的cr、ni、mn、cu、zn主要賦存在黑云母中，因此mn+cu+zn含量與cr+ni含量應具有顯著的正相關關系。由于在黑云母發生蝕變過程中，mn、cu、zn是活動元素，含量會發生變化，而cr、ni可認為是穩定元素，在蝕變過程中含量不變。因此，可以利用新鮮樣品定義未蝕變線(圖5)，根據未蝕變線方程，可以計算出樣品在未蝕變情況下樣品中mn+cu+zn的理論含量。用樣品中實際含量比理論含量可以得到微量元素蝕變因子f2(圖6)。