花岗岩矿物组成与其单轴抗压强度的相关性研究

袁广祥，张路青，曾庆利，李建勇，黄志全，王洪建，邓绪彪

(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046；2.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；3.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049)

花岗岩是地球大陆地壳的重要组成部分，也是地球区别于太阳系内其他行星的标志之一[1]，我国花岗岩类出露面积约占全国陆地总面积的9%[2]。花岗岩岩基具有规模巨大、产状稳定、质地均一、强度高、渗透性差等优点，许多大型工程尤其是涉及国家安全与社会发展的战略性、资源性工程，将花岗岩地区作为其场址首选区。如世界多个国家地下石油储备库都修建在花岗岩体中，我国于1979年在山东黄岛花岗岩体中修建了第一座地下水封石油储备库[3]；高放废物地质处置库的选址，花岗岩地区也是世界许多国家的首选，我国先后对甘肃北山[4]、内蒙古阿拉善[5～6]、新疆阿奇山[7]等地的花岗岩进行了选址勘察。我国目前几个重大科学装置选址均以花岗岩作为其围岩或地基[8～10]，开展花岗岩的力学性质研究具有重大意义。

矿物是岩石的“细胞”，决定了其物质属性[11]，因此，花岗岩的矿物组成是其力学性质的基础。Johansson[12]认为矿物颗粒大小、云母含量及微裂隙是影响花岗岩力学性质的主要岩石学特征；于庆磊等[13]通过数值模拟发现研究了花岗岩内部结构的细节对其强度影响明显，但对其变形影响不大；李晓鄂等[14]通过对三峡坝址区闪云斜长花岗岩力学性质的微观分析，认为岩石的力学性质是由其矿物成分及其含量、矿物间的胶结程度决定的；Tugrul等[15]通过对土耳其一些地方的花岗岩进行了研究，发现花岗岩的强度随平均粒径的减小而增高，石英含量是影响岩石力学性质最重要的因素；Prikryl[16]对捷克波希米亚波希米亚高地的花岗岩进行了研究，发现花岗岩的单轴抗压强度与矿物颗粒的大小有密切关系，强度各向异性取决于颗粒排列方向；Keikha等[17]研研究了伊朗东部2种类型的花岗岩，发现岩石的力学性质是其岩石学特征(矿物颗粒大小、矿物成分以及高强度矿物与软弱矿物的比值)的反映；Makani等[18]建立了法国上加龙省花岗岩矿物组成与其物理力学性质之间的关系，发现长石、绿泥石和石英的含量对其物理力学性质影响显著，石英含量越多岩石强度越大，云母和长石含量越多岩石强度越低；孙皓等[19]对单轴压缩条件下花岗岩变形破坏过程中不同矿物成分的变化特征进行了研究，分析了不同变形阶段不同方向应变的变化特征与矿物成分分布的关系。这些研究成果说明花岗岩的矿物含量、粒径与其力学性质具有明显的相关性。本次研究针对高放核废料处置库内蒙古阿拉善预选区巴彦诺日公花岗岩体开展，判断这一地区花岗岩矿物组成与力学性质之间的关系。

1 试验方案

1.1 样品的选取

试验样品从高放核废料处置库内蒙古阿拉善预选区诺日公花岗岩体的2个钻孔岩芯中采取，2个钻孔孔深为602 m[5]。在0～500 m深度范围内按照每隔约50 m取1组样品；若遇到某深度处岩性发生变化，该岩性的岩芯至少选取1组样品；2个钻孔共取得22组岩石样品(表1)。

1.2 岩石薄片鉴定

根据《岩矿鉴定技术规范》(DZ/T 0275.2—2015)[20]，选取长度大于60 mm、与物理力学实验岩样相同深度、相同岩性的样品切割薄片。采用XPT-7型偏光显微镜对薄片进行观测，获取花岗岩的矿物组成及其特征。

该区花岗岩的主要矿物成分是钾长石、斜长石和石英，次要矿物是黑云母(表1)。钾长石呈长柱状、长条状自形半自形分布，简单双晶可见，粗粒至细粒不等粒不规则粒状分布，无规律，具轻微泥化格状双晶发育，含量为25.0%～58.0%。斜长石是主要造岩矿物之一，灰白色，属中酸性斜长石，以更长石为主，中至细粒半自形至它形粒状，分布无序，常组成不规则状集合体，部分包裹于钾长石中，基本新鲜，具稀疏、鳞片状绢云母化，聚片双晶较发育，部分具较明显的环卫状结构，含量为14.0%～33.0%。石英为中至细粒不规则粒状，无序穿插于斜长石粒间，不规则裂隙较发育，波状消光现象普遍，呈他形分布在长石和黑云母颗粒间，部分石英呈交代穿孔结构分布在长石颗粒间，颗粒悬殊较大，含量为20.0%～46.0%。黑云母为细粒自形或不规则片状，粒度粗细不一，或呈分散片状至片状集合体穿插于长石及石英粒间，常局部包于斜长石边缘或包于钾长石和石英中，分布普遍，但不太均匀，多色性明显，部分绿泥石化，含量为2.0%～10.5%。

该区花岗岩颗粒尺寸变化较大，据薄片观测统计，钾长石粒径最小值为0.45 mm，最大值为6.5 mm；斜长石粒径最小值为0.5 mm，最大值为3 mm；石英粒径最小值为0.08 mm，最大值为4.0 mm；黑云母粒径最小值为0.25 mm，最大值为2.0 mm。光学显微镜下观察表明，试件中矿物颗粒尺寸多数大于0.3 mm。

1.3 单轴压缩试验

单轴压缩试验按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[21]进行。首先将取回的岩芯(直径为63 mm)加工成直径50 mm、高100 mm 的圆柱型标准岩样。在进行力学试验前进行了密度试验，平均密度是2.637 g/cm3。

表1 取样深度及矿物组成Table 1 Depth and mineral composition of the rocks tested

采用MTS815电液伺服试验机，对标准圆柱形岩样(Φ50×100 mm)进行单轴压缩试验，试样径向应变采用环向引伸仪测定，试验过程中采用应变控制加载速度，其加载速率为10-5/s。首先采用轴向应变控制，当轴向应变达到0.15%～0.3%时，自动切换为环向应变控制，可有效防止试件在接近峰值应力时出现的突然爆裂，从而使储存在岩石中的弹性应变能缓慢释放出来，以获得全应力-应变曲线，进而求出单轴抗压强度Rc(图1)。单轴压缩试验的峰后阶段，随着轴向承载力降低，岩样轴向变形没有增加，反而逐渐减小。造成这种现象的原因非岩石材料本身的力学特性，而是试验机加载控制方式不当造成的一种假象，由于刚性试验机控制的响应频率跟不上岩石应变速率的缘故。

2 相关性分析

2.1 矿物含量与单轴抗压强度之间的关系

图1 试样NRG01-6 单轴压缩应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of specimen NRG01-6 in the uniaxial compressive test

图2 矿物含量(直方图)与单轴抗压强度的关系Fig.2 Bar chart showing the relationship between the percentage of minerals and the uniaxial compressive strength

岩石中矿物含量直接影响力学性质。如图2所示，宏观上，花岗岩的单轴抗压强度的变化趋势与钾长石含量的变化基本趋于一致，与黑云母含量的变化趋势则相反。图3为钾长石含量和单轴抗压强度的关系，虽然二者不能建立明显的数学关系式，但可以看出二者具有明显的正相关，所有数值点均位于图3中2 条相互平行的直线之间。而且，如果只针对中粒花岗岩，钾长石含量和单轴抗压强度具有明显的线性正相关(图4)，但在似斑状花岗岩中这种关系不太明显。斜长石与单轴抗压强度没有明显的相关性，但含量超过21%时，二者具有明显的线性负相关(图5)。针对似斑状花岗岩，含量在24%时出现峰值。理论上，由于石英的强度较大，含量越多，岩石强度就越大。实际上，从图4中很难看出石英含量与花岗岩的单轴抗压强度的相关性。但针对中粒花岗岩，二者明显负相关(图6)；针对似斑状花岗岩，二者具有的相关性不明显，但含量25%时，单轴抗压强度最大。图7为黑云母含量和单轴抗压强度的关系，很难建立黑云母的含量与单轴抗压强度的数学关系式，但二者的负相关关系很明显。中粒花岗岩中这种负相关关系更明显(图8)。

图3 钾长石含量与单轴抗压强度的关系Fig.3 Relationship of the percentage of K-feldspar and the uniaxial compressive strength

图4 中粒花岗岩中钾长石的含量与单轴抗压强度的关系Fig.4 Relationship between the percentage of K-feldspar and the uniaxial compressive strength of medium grained granite

图5 斜长石含量与单轴抗压强度的关系Fig.5 Relationship between the percentage of plagioclase and the uniaxial compressive strength

图6 中粒花岗岩石英含量与单轴抗压强度的关系Fig.6 Relationship between the percentage of quartz and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

图7 黑云母含量与单轴抗压强度的关系Fig.7 Relationship between the percentage of biotite and the uniaxial compressive strength

图8 中粒花岗岩黑云母含量与单轴抗压强度的关系Fig.8 Relationship between the percentage of biotite and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

2.2 矿物粒径与力学性质之间的关系

岩石中矿物粒径变化较大(表1)，研究矿物粒径与单轴抗压强度之间的关系时，分别考虑各个矿物最大粒径、最小粒径、平均粒径(图9)。从图9可以看出，花岗岩的单轴抗压强度与钾长石和斜长石的粒径具有一定的负相关，而与石英和黑云母的粒径的相关性不明显。

针对中粒花岗岩，钾长石和斜长石的最小粒径与其单轴抗压强度具有比较好的正相关，而斜长石最大粒径与其是负相关的关系；石英颗粒粒径与单轴抗压强度之间是负相关的关系，其中最大粒径与其相关性很好(图10)，而黑云母粒径与其单轴抗压强度没有明显的关系。尽管统计的所有中粒花岗岩的钾长石最大粒径与单轴抗压强度关系不明显，但去除单轴抗压强度的最大值和最小值后，二者的相关性却非常明显，表现为线性负相关(图11)。

针对似斑状花岗岩，钾长石、斜长石、石英的最大粒径、最小粒径、平均粒径与单轴抗压强度均具有一定的负相关，但相关性不明显。

由上文分析可知，花岗岩的单轴抗压强度与矿物含量、粒径具有相关性，只针对中粒花岗岩，则二者的相关性较好。说明岩石结构对花岗岩的力学性质有明显的影响。对比岩样及试验结果(表2)也可以发现，似斑状花岗岩和中粒花岗岩的峰值强度之间差异明显。中粒花岗岩的强度明显高于似斑状花岗岩的强度。如试件N2-16和N2-17，2种试件的矿物含量基本相同、岩性相同。但N2-17试件颗粒粒径较大，且大小不均，而N2-16试件矿物颗粒粒径较小，且相对均一。这2组试件的单轴抗压峰值强度相差超过30%。

表2 单轴压缩试验结果与粒径相关关系统计分析Table 2 Relationship between the uniaxial compressive strengths and grain sizes

试件N2-14和N2-15的矿物的含量以及粒径大小基本相同，其峰值强度却相差7.64%。说明岩石的强度对于其内部结构的细节(如微裂隙、矿物排列、胶结等)非常敏感。

图9 矿物最大、最小和平均粒径(直方图)与单轴抗压强度的关系Fig.9 Bar chart showing the relationship among the maximum, the minimum and the average grain size with the uniaxial compressive strength

图10 中粒花岗岩石英最大粒径与单轴抗压强度的关系Fig.10 Relationship between the maximum grain sizes of quartz and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

图11 中粒花岗岩钾长石最大粒径与单轴抗压强度的关系Fig.11 Relationship between the maximum grain size of K-feldspar and the uniaxial compressive strength of the medium grained granite

3 结论

(1)花岗岩的矿物组成中，对其力学性质影响最大的是钾长石和黑云母， 其中钾长石含量与力学性质呈正相关，而黑云母呈负相关。只针对中粒花岗岩时，这种相关性非常明显。

(2)花岗岩中斜长石和石英含量对其力学性质的影响不明显，但在似斑状花岗岩中斜长石和石英含量分别为24%和25%时出现峰值。

(3)花岗岩的单轴抗压强度与钾长石和斜长石的粒径具有一定的负相关，而与石英和黑云母的粒径的相关性不明显。只针对中粒结构时，花岗岩的单轴抗压强度与各矿物粒径之间的相关性明显，体现了结构对力学性质的影响。

(4)花岗岩强度不仅仅取决于组成矿物含量和粒径，对于其内部结构的细节(如微裂隙、矿物排列、胶结等)非常敏感。因此，仅仅考虑组成矿物含量或粒径，其相互关系式的回归系数并不是很大。