本发明属于地质工程技术领域，具体涉及一种花岗岩蒙脱石化蚀变程度的地球化学判别方法。
背景技术：
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，由其形成的岩石蚀变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岩石蚀变问题。蒙脱石化是花岗岩中一种常见的蚀变类型，发育广泛，特别是沿断层、节理等结构面发育程度一般较高。由于伊利石具有强吸水性、膨胀性等特性，高程度蒙脱石化的花岗岩十分软弱，力学性质差，极易引起坝基、边坡、地下洞室和隧道等的失稳破坏问题，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。因此，查明花岗岩体蒙脱石化蚀变程度，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、岩矿鉴定、x射线衍射分析(xrd)等方法，定性或半定量估算岩体粘土矿物含量来反映蒙脱石化蚀变程度。这种方法主观因素影响大、影响判定结果的变量较多，难以客观、全面、准确地判别花岗岩蒙脱石化的蚀变程度。目前还没有一种定量判别花岗岩蒙脱石化蚀变程度的方法。如前所述，岩石蚀变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花岗岩蒙脱石化蚀变程度地球化学判别中，旨在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：
本发明的目的在于提供一种花岗岩蒙脱石化蚀变程度的地球化学判别方法，该方法主要用于工程花岗岩体蒙脱石化蚀变的定量判别中。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种花岗岩蒙脱石化蚀变程度的地球化学判别方法，包括如下步骤：
步骤一：测试花岗岩样品中黑云母和长石矿物成分
采用显微镜对样品薄片进行观察，初步确定岩石矿物组成和矿物含量，观察是否存在蒙脱石化蚀变，并初步判定蚀变程度，确定新鲜未蚀变的样品；利用电子探针测定岩石中黑云母和长石矿物成分；
步骤二：岩石样品全岩主量元素分析测试
采用x射线衍射分析仪测定岩石样品全岩主量元素含量，记为ci，其中i＝al2o3、mgo、na2o、k2o和cao；
步骤三：计算岩体蒙脱石化蚀变程度评价指标
(1)计算全岩al2o3中黑云母的贡献含量
由未蚀变样品中黑云母电子矿物成分分析结果由如下公式可计算得到全岩al2o3中黑云母的贡献含量cal2o3frombt：
cal2o3frombt＝cmgo×(cal2o3inbt/cmgoinbt)；
(2)计算全岩主量元素中长石的贡献量
全岩主量元素i含量中长石贡献含量cifromfs为全岩ci扣除黑云母的贡献量，即：
cifromfs＝ci-cifrombt
其中i＝al2o3、na2o、k2o和cao；
(3)计算长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量和al3+离子电荷数量
由(2)中得到长石贡献的主量元素含量cifromfs除以其相对原子量mi，即可计算得到长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量n和al3+离子电荷数量3×nalfromfs，其中n和nalfromfs计算公式如下：
n＝σnifromfs＝σ(2×cifromfs/mi)
nalfromfs＝2×cal2o3fromfs/mal2o3
其中i＝na2o、k2o和cao；
(4)计算蒙脱石化蚀变程度评价指标
分析长石电子探针数据发现，长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量n与al3+离子电荷数量比值为0.30，因此，长石未发生蒙脱石化时碱金属离子的电荷总量n’＝0.30×3×nalfromfs，将实际得到的长石中碱金属离子总量n与n’比较，即可得岩石蒙脱石化的蚀变程度评价指标f：
n’＝0.30×3×nalfromfs
f＝(n’-n)/n。
一般来讲，蒙脱石化是长石矿物中na+、k+、ca2+离子与热液中h+离子发生置换的过程。因此可以利用岩石中na、ca和k元素含量的变化来地球化学判别蒙脱石化过程。但是，由于地质情况的复杂性，这些元素含量与其矿物组成，如长石、石英、云母的比例紧密相关，因此，要地球化学判别蒙脱石化程度，需先消除矿物组成差异所造成的主量元素含量的差异，进而计算蒙脱石化过程中元素含量的变化。
对于花岗岩样品，全岩中mgo含量几乎全部由黑云母贡献，在主要矿物含量差别不大的情况下，另外两种主要矿物斜长石和钾长石中mgo的含量与黑云母相比可以忽略(相差两个数量级)，因此可以认为全岩mgo含量cmgo均来自与黑云母。由未蚀变样品中黑云母电子探针分析结果由如下公式可计算得到全岩al2o3中黑云母的贡献含量cal2o3frombt：
cal2o3frombt＝cmgo×(cal2o3inbt/cmgoinbt)
其中cal2o3inbt/cmgoinbt表示黑云母中al2o3和mgo含量之比。全岩al2o3中长石(包括斜长石和钾长石)贡献含量为cal2o3fromfs为全岩cal2o3扣除黑云母的贡献量，即：
cal2o3fromfs＝cal2o3-cal2o3frombt
同理可分别计算出长石所贡献的na2o、k2o和cao含量cna2ofromfs、ck2ofromfs和ccaofromfs。据此可以计算得到长石中na+、k+和ca2+的数量以及al3+离子的数量，分别计为nnafromfs、nkfromfs、ncafromfs和nalfromfs。根据步骤一得到的长石矿物成分计算发现，不论是钾长石还是斜长石，其na+、k+和ca2+离子电荷总量与al3+电荷比值固定为0.30(0.30是个平均值，其中计算的钾长石样品平均值0.30，标准方差0.055，误差6％；斜长石平均值0.30，标准方差0.078，误差8％)。因此可以利用长石中al3+离子的电荷数量3×nalfromfs计算得到在长石未发生蒙脱石化时na+、k+和ca2+离子电荷总量n’。由于在发生蒙脱石化时，碱金属总量减少，因此可用实际得到的长石中碱金属离子电荷总量n＝nnafromfs+nkfromfs+2×ncafromfs与n’比较(图1)，即可得岩石蒙脱石化的蚀变程度评价指标f。
本发明的优点为：
(1)本发明首次利用地球化学方法定量判别花岗岩蒙脱石化蚀变程度，有效弥补了目前还没有定量判别方法的缺陷。计算方法更具新颖性。
(2)本发明属于定量判别方法，与传统的定性估算方法相比更具科学性、合理性。
(3)本发明可以消除岩石矿物组成差异对蚀变程度计算的影响，可以适用于典型花岗岩岩体蒙脱石化程度计算。计算方法具有创造性和实用性。
附图说明
图1为本发明长石中na+、k+和ca2+离子电荷总量n与al3+离子电荷总量3×nalfromfs蚀变判定图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
本发明基于花岗岩主要矿物元素含量，全岩主量元素含量，通过地球化学判别，得到花岗岩蒙脱石化蚀变程度定量评价指标。该方法可以科学合理地判定花岗岩蒙脱石化蚀变程度。
实施例1
一种花岗岩蒙脱石化蚀变程度的地球化学判别方法，包括如下步骤：
第一步：测试花岗岩样品中黑云母矿物成分。
i、通过岩石切片机和手工加工制作岩石薄片；
ii、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，确定岩石类型和蚀变程度，确定未蚀变样品；
iii、通过显微镜观察，圈定黑云母；
iv、使用电子探针分析黑云母和长石矿物成分；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。具体地，对平江地区花岗岩样品长石矿物电子探针数据详见表1。
第二步：岩石样品全岩主量元素分析测试
利用rigakurix2000型x-射线荧光分光仪(xrf)分析全岩主量元素成分；全岩主量元素分析流程为：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，并转移至马弗炉中，920℃下灼烧3h，冷却后，称重，获得烧失量。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。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。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％。
第三步：计算岩体蒙脱石化蚀变程度评价指标
(1)计算全岩al2o3中黑云母的贡献含量
对于花岗岩样品，全岩中mgo含量几乎全部由黑云母贡献。由未蚀变样品中黑云母电子探针分析结果由如下公式可计算得到全岩al2o3中黑云母的贡献含量cal2o3frombt：
cal2o3frombt＝cmgo×(cal2o3inbt/cmgoinbt)
(2)计算全岩主量元素中长石的贡献量
全岩主量元素i含量中长石(包括斜长石和钾长石)贡献含量为cifromfs为全岩ci扣除黑云母的贡献量，即：
cifromfs＝ci-cifrombt
其中i＝al2o3、na2o、k2o和cao。
(3)计算长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量和al3+离子电荷数量
由(2)中得到长石贡献的主量元素含量cifromfs除以其相对原子量mi，即可计算得到长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量n和al3+离子电荷数量3×nalfromfs，即：
n＝σnifromfs＝σ(2×cifromfs/mi)
nalfromfs＝2×cal2o3fromfs/mal2o3
其中i＝na2o、k2o和cao。
(4)计算蒙脱石化蚀变程度评价指标
分析长石电子探针数据中主量元素含量发现，长石中na+、k+和ca2+离子的电荷总量n与al3+离子电荷数量比值为0.30(如表1所示)，因此在未发生蒙脱石化蚀变样品中，长石贡献的na+、k+和ca2+离子的电荷总量应与其贡献的al3+离子电荷数量比值为0.30。因此可以利用长石中al3+离子电荷数量3×nalfromfs计算得到在长石未发生蒙脱石化时na+、k+和ca2+离子离子的电荷总量n’。由于发生蒙脱石化时，碱金属总量减少，因此可用实际得到的长石中na+、k+和ca2+离子离子总量n与n’比较(图1)，即可得岩石蒙脱石化的蚀变程度评价指标f：
n’＝0.30×3×nalfromfs
f＝(n’-n)/n。
(4)可靠性验证
通过上述方法对平江地区花岗岩样品蒙脱石化蚀变程度进行判定，具体结果如表2所示，分析计算结果发现，靠近断层的样品f较大，如1和2号样品，表明其蒙脱石化程度较高，这与岩矿鉴定结果一致。
表1.本发明应用地区(平江地区)花岗岩样品长石矿物电子探针数据
表2本发明应用地区(平江地区)花岗岩样品蒙脱石化蚀变程度评价指标f