一种花岗岩蚀变分带的地球化学判别方法与流程

本发明属于地质工程技术领域，具体涉及一种花岗岩蚀变分带的地球化学判别方法。

背景技术：

地壳内部存在大量热液流体，当这些流体沿着一定的通道进入到成分和物理化学条件与其有很大差别的岩石体系后，便会与之发生化学反应，使得这些岩石的化学成分、矿物成分以及结构构造都发生很大改变，形成新的岩石，这一过程称之为交代作用或蚀变作用，所形成的新岩石称为蚀变岩或交代岩。广义的蚀变岩包括热液(压力)作用以及表生作用等引起的岩石和矿物的各种次生变化而形成的岩石。其中热液作用包括充填、升华、蒸发、交代等各种作用；表生作用主要包括沉积作用、固结成岩、地下水(包括地下热水)作用等，其中有90％以上表生作用引起的蚀变减弱了岩石强度。花岗岩是水利、采矿、交通、国防等行业中的主要研究岩石类型，由其形成的蚀变岩问题广泛存在于工程建设中，如二滩水电站、小湾水电站、滇藏铁路等重大工程建设中都存在着蚀变岩问题。由于岩石蚀变的机理和形成条件差异，不同区域岩体蚀变程度不同，往往存在明显的岩体蚀变分带现象。蚀变程度大的岩体易于形成工程软弱带，极易引起坝基、边坡、地下洞室和隧道等的变形破坏问题，危及施工人员的安全，同时造成工程投资增大，工期延长等问题。岩体蚀变分带是工程规划、勘察、设计阶段需要考虑的关键问题之一。因此，查明花岗岩体蚀变程度及其分布范围，对岩体进行科学的蚀变分带研究，对于确保工程的安全与稳定具有重要的理论意义和工程实践意义。

目前，工程中通常采用肉眼观察结合地质锤敲击的方法，判别岩体的蚀变程度及其分布范围，对岩体进行蚀变分带。这种方法主观因素影响大，难以客观、全面、准确地判别蚀变岩的分带特征。目前还没有一种岩体蚀变分带的定量判别方法。如前所述，蚀变岩形成过程伴随着岩石矿物成分的改变，因此也造成地球化学特征的改变。本发明首次将岩石地球化学特征引入到岩体蚀变分带中，旨在提出一种岩体蚀变分带的地球化学定量判别方法，解决现有技术评价方法单一，人为因素影响大，无法定量评价等问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种花岗岩蚀变分带的地球化学判别方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种花岗岩蚀变分带的地球化学判别方法，包括以下步骤：

(1)测试范围与采样点确定：

根据前期勘测资料和现场地质条件，划分蚀变岩的测试范围，确定不同蚀变程度岩体的采样点位置；测试点间距根据工程分带精度要求确定，间距越小，蚀变分带结果越精确；在测试点处标记位置并采集岩石样品，用于地球化学分析；

(2)岩石样品分析测试：

分别对岩石样品的矿物主量元素含量、全岩主量元素含量和全岩微量元素含量进行分析测试；

观察是否存在矿物蚀变，并初步判定蚀变矿物类型和蚀变程度；

(3)岩体蚀变程度分析：

基于步骤(2)得到的蚀变岩和未蚀变的新鲜岩石分析数据，对比蚀变岩中矿物主量元素含量、全岩主量元素含量以及全岩微量元素含量与新鲜岩石样品的差异，得到根据不同元素计算得到的蚀变参数，确定蚀变岩蚀变类型和程度，并以此作为岩体蚀变程度的评价依据；

(4)岩体蚀变分带判别：

基于步骤(3)得到的评价参数，建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则；依据定量评价指标，对岩体蚀变程度进行定量评价；根据分带判别准则，对岩体进行蚀变分带判别。

所述步骤(2)中，岩石样品的矿物主量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，通过岩石切片机和手工加工制作岩石薄片；

其次，通过显微镜观察岩石薄片，确定组成岩石的主要矿物，估算主要矿物含量，确定岩石类型；

然后，通过显微镜观察，圈定待分析矿物；

最后，采用jeoljxa-8100型电子探针分析岩石样品的矿物的主量元素含量cmineral-i。

所述步骤(2)中，岩石样品的全岩主量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，将岩石样品用玛瑙球磨机粉粹，称一定量的粉末样品于陶瓷坩埚中；

其次，转移至马弗炉中，进行灼烧，冷却后，称重，获得烧失量；

然后，称取灼烧后的样品和8倍于样品重量的li2b4o7助熔剂于塑料烧杯中，混匀后转入铂金坩埚中；

然后，向铂金坩埚中加入少量2％libr-1％nh4i溶液，然后放入高温熔样机熔融，制成玻璃片；

最后，采用x射线衍射分析仪(xrf)对岩石样品的全岩主量元素含量进行分析测试，基于xrf分析结果，计算岩体的烧失量(loi)和全岩主量元素含量cmajor-i，其中i为某种元素。

所述步骤(2)中，岩石样品的全岩微量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，称取样品于teflon内胆中，加hno3，摇匀，再加入hf及高纯hclo4，封盖后放入超声震荡仪中振荡，置于电热板上加热保温，然后蒸干；

其次，再次加hno3加盖，加热保温过夜，再加hf和高纯hclo4，置钢套中，在烘箱内加热；

然后，取出内胆，电热板加热蒸至近干，加入hno3，加盖，超声振荡，再次密封并置于钢套中，高温条件下加热，冷却后，用hno3按1000倍稀释因数将样品定容；

然后，称溶液于离心管中，并加内标溶液，摇匀待测；

最后，采用等离子体质谱仪(icp-ms)对岩石样品的全岩微量元素含量进行分析测试，基于icp-ms分析结果，确定全岩微量元素含量ctrace-i。

所述步骤(3)中，对于岩性一致的样品，选取该区域新鲜岩石样品中全岩元素含量cfmajor-i、cftrace-i和矿物元素含量cfmineral-i作为基准，利用其他样品全岩主量元素含量cmajor-i与cfmajor-i比较，得到全岩主量元素i的蚀变参数fi＝cmajor-i/cfmajor-i；同理可得全岩微量元素i的蚀变参数fi＝ctrace-i/cftrace-i，所有蚀变元素蚀变参数求和得到全岩蚀变参数f＝∑fi。

所述步骤(4)中，通过加权建立岩体蚀变程度定量评价指标f＝∑wifi，其中，wi为权重系数，对于岩性一致的样品，i＝1，2，3，4，5…，对于岩性存在差异的样品，i＝1，2，wi值大小根据测试数据的准确性和可靠性进行赋值，满足∑wi＝1。

所述步骤(4)中，确定岩体蚀变分带判别准则具体为：根据现场测试结果，确定岩体蚀变分带判别准则：若0<f<u1，为全蚀变；若u1≤f<u2，为强蚀变；若u2≤f<u3，为中等蚀变；若u3≤f<u4，为弱蚀变；若f＝1，为未蚀变原岩，其中，u1和u2为分带系数，其值根据具体工程条件确定。

所述步骤(4)中，判别岩体蚀变分带特征具体为：首先，基于定量评价指标，计算各测试点的蚀变程度评价指标值，得出各测试点岩体的蚀变程度；然后，依据分带判别准则，将同一蚀变程度区间的岩体划分为同一蚀变带，对岩体进行快速连续蚀变分带，将岩体划分为全蚀变带、强蚀变带、中等蚀变带、弱蚀变带和未蚀变带。

本发明首次将地球化学数据引入到岩体蚀变分带判别中，解决现有技术评价方法单一，人为因素影响大，无法定量评价等问题。测试手段先进，判别方法更具新颖性。与传统的定性经验方法相比，该方法更具科学性、合理性。

附图说明

图1是本发明蚀变分带的地球化学判别流程图。

图2为本发明sio2vs.al2o3岩性差异判定图。

图3为本发明长石矿物na2o+k2o+caovs.al2o3未蚀变线判定图。

图4为本发明蚀变因子f1变化示意图。

图5为本发明mn+cu+znvs.cr+ni未蚀变线判定图。

图6为本发明蚀变因子f2变化示意图。

图7为本发明岩体蚀变分带示意图。

其中，f蚀变程度评价指标，t蚀变分带判别准则，a1全蚀变带，a2强蚀变带，a3中等蚀变带，a4弱蚀变带，a5为未蚀变带。sio2、al2o3分别为样品全岩sio2和al2o3含量，na2o+k2o+caoinfeldspar、al2o3infeldspar分别为计算得到的长石矿物中na2o+k2o+cao和al2o3含量，f1根据主量元素计算得到的蚀变因子，f表示断层，mn+cu+zn、cr+ni表示全岩mn+cu+zn和cr+ni含量，f2根据微量元素计算得到的蚀变因子。

具体实施方式

如图1所示的花岗岩蚀变分带的地球化学判别方法，包括以下步骤：

(1)测试范围与采样点确定：

根据前期勘测资料和现场地质条件，初步划分蚀变岩的测试范围，确定不同蚀变程度岩体的采样点位置；测试点间距根据工程分带精度要求确定，间距越小，蚀变分带结果越精确；在测试点处标记位置并采集岩石样品，用于地球化学分析；

(2)岩石样品分析测试：

分别对岩石样品的矿物主量元素含量、全岩主量元素含量和全岩微量元素含量进行分析测试；

观察是否存在矿物蚀变，并初步判定蚀变矿物类型和蚀变程度；

1.岩石样品的矿物主量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，通过岩石切片机和手工加工制作岩石薄片；

其次，通过显微镜观察岩石薄片，确定组成岩石的主要矿物，估算主要矿物含量，确定岩石类型；

然后，通过显微镜观察，圈定待分析矿物；

最后，采用jeoljxa-8100型电子探针分析岩石样品的矿物的主量元素含量cmineral-i，实验条件为：加速电压15kv，测试电流20na，束斑直径为1μm，所有元素的计数时间为20s。分析橄榄石采用的标样为：si、mg、fe和ni为橄榄石；ti为金红石；al和ca为石榴石；na为长石；mn为mno。si、fe和mg分析误差2％，其他元素分析误差5％。分析辉石采用的标样为：si、fe、mg和ca为透辉石，k为长石，na和al为硬玉，ni为橄榄石，cr、ti和mn分别为cr2o3、tio2和mno。si、fe、mg和ca的分析误差2％，其他元素分析误差5％。数据利用zaf方法进行校正，排除测试过程中的噪音和干扰。

2.全岩主量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，将岩石样品用玛瑙球磨机粉粹为200目的粉末，称一定量的粉末样品于陶瓷坩埚中；其次，转移至马弗炉中，920℃下灼烧3h，冷却后，称重，获得烧失量；

然后，称取0.53-0.58g灼烧后的样品和8倍于样品重量的li2b4o7助熔剂于塑料烧杯中，混匀后转入铂金坩埚中；

然后，向铂金坩埚中加入少量2％libr-1％nh4i溶液，然后放入高温熔样机，1200℃熔融，制成玻璃片；

最后，采用分析仪器为rigakurix2000型x-射线衍射分析仪(xrf)对岩石样品的全岩主量元素含量进行分析测试，基于xrf分析结果，计算岩体的烧失量(loi)和全岩主量元素含量cmajor-i，其中i为某种元素。元素含量通过36种涵盖硅酸盐样品范围的参考标准物质的双变量拟合工作曲线获得，分析精度优于2-5％。

3.全岩微量元素含量分析测试具体包括以下步骤：

首先，称取约35-45mg样品于teflon内胆中，加0.6ml1:1hno3，摇匀，再加入0.6mlhf及少量高纯hclo4，封盖后放入超声震荡仪中振荡60min，置于电热板上100℃加热保温2-3天，然后蒸干；

其次，再次加0.8ml1:1hno3加盖，100℃加热保温过夜，再加0.8mlhf和少量高纯hclo4，置钢套中，190℃烘箱内加热48h；

然后，取出内胆，电热板加热蒸至近干，加入4ml4mhno3，加盖，超声振荡30min，再次密封并置于钢套中，170℃条件下，加热4h，冷却后，用3％hno3按1000倍稀释因数将样品定容；

然后，称4g溶液于离心管中，并加4g10ngg-1rh(0.1％hno3)内标溶液，摇匀待测；

最后，采用分析仪器是thermoxseriesii电感耦合等离子体质谱仪(icp-ms)对岩石样品的全岩微量元素含量进行分析测试，基于icp-ms分析结果，确定全岩微量元素含量ctrace-i，分析精度对于大多数元素优于5％。

(3)岩体蚀变程度分析：

基于步骤(2)得到的蚀变岩和未蚀变的新鲜岩石分析数据，对比蚀变岩中矿物主量元素含量、全岩主量元素含量以及全岩微量元素含量与新鲜岩石样品的差异，得到根据不同元素计算得到的蚀变参数，确定蚀变岩蚀变类型和程度，并以此作为岩体蚀变程度的评价依据；

所述步骤(3)中，对于岩性一致的样品，选取该区域新鲜岩石样品中全岩元素含量cfmajor-i、cftrace-i和矿物元素含量cfmineral-i作为基准，利用其他样品全岩主量元素含量cmajor-i与cfmajor-i比较，得到全岩主量元素i的蚀变参数fi＝cmajor-i/cfmajor-i；同理可得全岩微量元素i的蚀变参数fi＝ctrace-i/cftrace-i，所有蚀变元素蚀变参数求和得到全岩蚀变参数f＝∑fi。

(4)岩体蚀变分带判别：

基于步骤(3)得到的评价参数，建立岩体蚀变程度定量评价指标，确定岩体蚀变分带判别准则；依据定量评价指标，对岩体蚀变程度进行定量评价；根据分带判别准则，对岩体进行蚀变分带判别。

所述步骤(4)中，通过加权建立岩体蚀变程度定量评价指标f＝∑wifi，其中，wi为权重系数，对于岩性一致的样品，i＝1，2，3，4，5…，对于岩性存在差异的样品，i＝1，2，wi值大小根据测试数据的准确性和可靠性进行赋值，满足∑wi＝1。

所述步骤(4)中，确定岩体蚀变分带判别准则具体为：根据现场测试结果，确定岩体蚀变分带判别准则：若0<f<u1，为全蚀变；若u1≤f<u2，为强蚀变；若u2≤f<u3，为中等蚀变；若u3≤f<u4，为弱蚀变；若f＝1，为未蚀变原岩，其中，u1和u2为分带系数，其值根据具体工程条件确定。

所述步骤(4)中，判别岩体蚀变分带特征具体为：首先，基于定量评价指标，计算各测试点的蚀变程度评价指标值，得出各测试点岩体的蚀变程度；然后，依据分带判别准则，将同一蚀变程度区间的岩体划分为同一蚀变带，对岩体进行快速连续蚀变分带，将岩体划分为全蚀变带a1、强蚀变带a2、中等蚀变带a3，弱蚀变带a4和未蚀变带a5。

由于地质情况的复杂性，一个地区岩性基本不可能完全一致。为了消除岩石矿物组成变化本身造成的主微量元素含量变化对全岩蚀变参数f的影响，选取两种可反映岩石组成矿物变化、且在蚀变过程中相对稳定的主量元素sio2和al2o3作为基准元素对，若这两种元素呈十分显著的负相关关系，如c(sio2)＝-x·c(al2o3)+y(图2)，则表明该两种元素含量变化主要由矿物组成变化造成。对于花岗岩来说，全岩al2o3主要来自于黑云母和长石类矿物贡献，而与蚀变过程紧密相关的na2o几乎全部由长石类矿物贡献，cao主要赋存在斜长石和黑云母中，k2o主要赋存在钾长石和黑云母中，mgo则主要赋存在黑云母中。假定全岩中mgo全部来自于黑云母，则可利用电子探针得到的新鲜岩石样品中黑云母的元素含量关系如，c(mgo)/c(al2o3)，计算出黑云母对全岩al2o3的贡献量。再利用样品全岩al2o3含量扣除黑云母贡献量则为长石类矿物中所含的al2o3含量。由于花岗岩中碱金属(na2o+k2o+cao)可认为都由长石矿物贡献，因此对于新鲜花岗岩来说，全岩碱金属总量应与长石矿物中al2o3总量成正比。因此利用新鲜样品可以在相关性图解中定义未蚀变线，如图3所示。未落在新鲜样品定义的未蚀变线上的样品均认为其碱金属元素含量受到粘土化蚀变作用影响。利用未蚀变定义的未蚀变函数关系，根据al2o3含量可以计算得到未蚀变情况下样品长石中na2o、k2o和cao理论含量，然后利用实际含量比理论含量得到主量元素蚀变因子f1(图4)。

同理，对于新鲜花岗岩样品，微量元素中的cr、ni、mn、cu、zn主要赋存在黑云母中，因此mn+cu+zn含量与cr+ni含量应具有显著的正相关关系。由于在黑云母发生蚀变过程中，mn、cu、zn是活动元素，含量会发生变化，而cr、ni可认为是稳定元素，在蚀变过程中含量不变。因此，可以利用新鲜样品定义未蚀变线(图5)，根据未蚀变线方程，可以计算出样品在未蚀变情况下样品中mn+cu+zn的理论含量。用样品中实际含量比理论含量可以得到微量元素蚀变因子f2(图6)。