贵州贞丰县皂凡山矿凝灰岩分解机理研究

郑明雄，申岳龙

(1.昆明理工大学 计算中心，昆明 650500 2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

1 概述

由于具有火成岩的物质成分和沉积成岩过程，凝灰岩是一种特殊的岩石。同时，很多凝灰岩还是高膨胀易分解的特殊软岩，分布十分广泛。软弱水敏凝灰岩与很多金属矿山紧密相关并对这些地区的勘查和开发产生十分不利的影响。有必要研究凝灰岩的膨胀和分解机理，以对涉凝灰岩工程应用提供参考。

贵州省兴义市贞丰县皂凡山毗邻紫金矿业水银洞金矿，与水银洞金矿直线距离约4 km，保田项目部位于该地。该地区大地构造位于华南褶皱系右江褶皱带西延部分与杨子准地台西南缘重合地带，矿区是滇黔桂“金三角”系列卡林型金矿之一[1]。该地区出露凝灰岩是一种典型遇水快速分解性凝灰岩。凝灰岩呈深灰色，灰质细腻，在水中5分钟内完全分解，分解物呈较均匀的细微片状和粉末状。

目前，针对滇黔桂“金三角”地区和水银洞地区的地质调查和研究较多[1-4]，认为该地区具有很好的卡林型金矿前景，但是对于该地区广泛分布的遇水高分散性凝灰岩的研究很少。在勘查钻井时，凝灰岩可能给钻井带来非常不利的影响，严重时可造成卡钻，如云南澜沧铅矿即由于凝灰岩发生卡钻事故。故有必要认知皂凡山地区凝灰岩的特性和分散机理，为涉凝灰岩工程应用提供参考，在含凝灰岩地区能及时采取有效的预防措施。同时，局部地点凝灰岩分散性研究是研究区域高分散性凝灰岩共性的一部分。

2 物质因素

元素及矿物成分是凝灰岩物理化学特性的基础。选取典型凝灰岩制成原样粉末，分别进行XRD和XRF测试。XRF测试结果如表1所示，XRD检测结果如表2所示。

表1 皂凡山凝灰岩元素含量分析

由表1知，皂凡山凝灰岩中主要元素为O、Si、Al、Fe、S、K，总的含量高达97%，可估计凝灰岩中主要成分为石英、硅酸盐矿物及黄铁矿，其它成分占比较小。XRF仅可做定性参考，各矿物成分的比例由XRD测试定量确定(表2)。

表2 皂凡山凝灰岩的主要矿物含量

根据XRD测试结果，皂凡山凝灰岩中含有的矿物主要为石英、白云母、金云母、黄铁矿及高岭石，占绝对比例。其中白云母、金云母和高岭石占40.5%，占比非常大。云母类矿物与黏土同属硅酸盐矿物，具有类似黏土的性质，其与黏土一样具有相近的矿物分子结构、类似的微片层结构、极强的亲水性等性质，其X衍射矿物特征峰与伊利石十分接近。白云母极易水化后转变成伊利石，伊利石还可以向蒙脱石和高岭石等高膨胀黏土矿物转化[5-9]。高比例的硅酸盐矿物和黏土矿物，是皂凡山凝灰岩膨胀分解的最重要原因。

同时，由取样现场凝灰岩分布变化来看，山丘顶部坡面出露凝灰岩质地较纯，沿坡向下凝灰岩逐步粘土化。该现象与地势低矮处水分含量相对较高有极大关系，云母水化中水扮演了重要角色，风化过程伴随水化过程。黏土化对该地区的勘查钻井工作极为不利，钻井防塌应以防黏土和硅酸盐分散为主。

另外，皂凡山凝灰岩中含有较大比例的黄铁矿。黄铁矿是一种强还原性矿物，低价硫的氧化生成硫酸。pH测试表明，皂凡山凝灰岩的水分解液的pH值可低至2，在云贵地区多处高分解性凝灰岩中酸性最强，这与该地凝灰岩中黄铁矿比例较高有关。强酸对皂凡山凝灰岩产生刻蚀作用，并进一步和其它矿物进行化合反应产生硫酸盐，特别是FeSO4含量较高。硫酸及硫酸盐在多水环境中溶解流失，溶蚀作用使得凝灰岩骨架更松散、孔隙进一步发育。实际工程应用中，抗氧化措施可和疏水控水相结合。在钻井液中多为碱性环境，故勘察钻井时还需注意中和凝灰岩带来的强酸性。

3 微观结构因素

肉眼可见皂凡山凝灰岩非常细腻均匀和致密，但是在水中分解特别快。由于凝灰岩的遇水快速软弱化，薄片不易制得并必然损坏岩石原生形态结构，光学显微镜并不合适观测凝灰岩，采用SEM是最好的观测方法。由SEM可见凝灰岩的主要特征微结构是片层结构(图1)，这是云贵地区高分界性凝灰岩都有的微观形态，是黏土矿物和类黏土矿物的典型结构。能谱检测结果表明(图2)，片层元素主要为O、Si、Al以及少量的S、K，结合样品的XRD检测结果，可以推断片层主要为云母。凝灰岩内部孔隙裂缝发育(图3～4)。孔隙主要为矿物粒间孔，由火山玻璃质脱玻化形成和氧化溶蚀产生。

微片层结构普遍存在于各地高膨胀易分解凝灰岩中，片层结构的强亲水性矿物具有较大的毛管压力，可使得水迅速进入凝灰岩微结构，不对称的硅氧四八面体分子结构遇水时微片具有卷曲力，使得凝灰岩遇水迅速松散化而强度丧失，并伴随孔隙的快速产生[10]。强亲水性微片层结构也是快速分解的重要原因。

图1 凝灰岩微片层结构

图2 单个微片的能谱测试

4 离子溶出因素

由于凝灰岩风化氧化后产生硫酸及硫酸盐，酸及盐的溶出可加速凝灰岩在水中的分解。为研究离子溶出，本文做了溶出实验与测试。选取快速分解凝灰岩样品5 g，置于30 mL蒸馏水中搅拌，2分钟后过滤获得液体样品。对样品使用ICP-MS测试主要的离子浓度，结果见表3(取两位小数)。

图3 凝灰岩内的微孔隙

图4 凝灰岩内的微裂隙

表3 皂凡山凝灰岩的溶出离子

由表3可知，快速完全分解的凝灰岩滤液中，有较多离子溶出。特别是铁离子浓度非常高，这与该地区凝灰岩中黄铁矿占比较大有密切关系，黄铁矿氧化生成高酸性硫酸和FeSO4，该地区金矿中的金也主要附存于黄铁矿)。由表3可知高分解性凝灰岩在水中分解时均有较多离子溶出，离子溶出对凝灰岩分解起重要作用[11]。钻井液防塌时应考虑离子溶出的影响。

5 化学研究与防塌

本文还对皂凡山凝灰岩做了系列防塌化学实验。实验表明硅酸根阴离子及钾铵阳离子对皂凡山凝灰岩具有显著防塌作用。但是K2SiO3多呈硬块状，溶解缓慢，故也可混合使用KCl和Na2SiO3。以上实验说明钾盐等对凝灰岩具有离子交换改性防塌作用。仅使用盐溶液即能使皂凡山凝灰岩具有较长时间的稳定性，但稳定性并不是永久稳定(钾盐等对一些地区高分散凝灰岩的改性可使得凝灰岩稳定性改变更彻底，重新放于水中仍然不分解)，在数天后凝灰岩仍然缓慢分解为较松散的块状物。可见仅仅使用盐溶液防塌并不够，为使凝灰岩稳定性更好，经试验，前期研究的针对高分散性凝灰岩的防塌钻井液配方对皂凡山凝灰岩更有效[12]。防塌配方为: 本地凝灰岩滤液(中和酸性)+膨润土+饱和NaCl+K2SiO3(>5%)+NaOH+可溶淀粉+抗氧化剂。

化学实验还表明：皂凡山新鲜凝灰岩在碳酸盐或碳酸氢盐中分解迅速(分解速度明显快于在水中的分解速度)并有气泡产生，这是因为凝灰岩中的硫酸和碳酸盐/碳酸氢盐反应生成了CO2，碳酸盐/碳酸氢盐对皂凡山凝灰岩有一定的促进分解作用，钻井液中不能使用碳酸盐/碳酸氢盐。K2CO3和KHCO3等也具有促进分解，阳离子稳定作用不及碳酸阴离子分解作用。

6 结论

1)皂凡山凝灰岩中的白云母、金云母和高岭石比例合计达40.5%，占比很大，大量亲水性极强的硅酸盐矿物是凝灰岩快速分解的物质因素。

2)皂凡山凝灰岩普遍具有典型的类黏土微片层结构，水层容易插入，该片层结构有利于凝灰岩在水中的分散。凝灰岩内部微孔隙裂缝发育，也有利于水分在凝灰岩内部的快速运移。

3)凝灰岩中黄铁矿占比较大，黄铁矿氧化产生硫酸和硫酸盐，硫酸和硫酸盐对凝灰岩具有溶蚀作用，并使得皂凡山凝灰岩分解液呈强酸性。ICP-MS测试表明凝灰岩在水中短时间快速分解后有较多离子溶出，离子的快速溶出对本身结构松散的凝灰岩起到加速分散作用。

4)钾盐、铵盐及硅酸盐对皂凡山凝灰岩具有显著的离子交换改性稳定作用，可混合使用KCl和K2SiO3。而碳酸盐/碳酸氢盐具有显著的促进分解作用。钾离子等阳离子的交换稳定作用不及碳酸阴离子的促分解作用。