四川宝兴志留系饰面用大理岩特征

刘 亮, 余长荣, 赵相国

(1.四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，绵阳 621010；2.攀枝花市自然资源和规划局，攀枝花 617000)

大理岩为碳酸盐岩经区域变质作用或接触变质作用形成,其运用广泛[1-6],而作为饰面用大理岩产出时代以古生代为主,元古代和中生代次之。虽然其产出层位较多,但20世纪80年代以前,地质工作中大理岩仅视为一般岩石,未归入矿产资源进行评价,地质工作程度较低。近年来随着社会经济的发展和国内外建筑饰面大理岩装饰行业的兴起,饰面用大理岩石材越来越受到人们的青睐[7-10]。研究选择在享有“石材王国”“石材之乡”美誉的宝兴县,作为该县的支柱产业,名贵石材品种达30余种,总储量逾30×109m3。区内饰面用大理石品种主要有“宝兴白”“青花白”“青花灰”“东方白”, 其中,尤以“宝兴白”大理石最为著名。

传统宝兴县饰面用大理岩主要产出层位为前震旦系锅巴组[11-12],随着饰面石材的用量越来越大,总量逐年减少,尤其是高品质的“宝兴白”已出现严重资源不足的迹象[13]。寻找优质饰面用大理岩对保证地方支柱产业和满足社会需求具有重要的意义。鉴于此,选择距宝兴县北西约25 km的志留系大理岩为研究对象,通过槽探、钻探等系统工程控制并取样分析,对其地质特征、物质组成、物理力学性质、放射性等进行了研究,探讨作为饰面石材的可行性,并对其种类进行划分。以期拓展饰面用大理岩资源找寻范围,为志留系大理岩资源的开发利用提供依据和参考。

1 矿区地质

1.1 地层

研究区大地构造地处扬子准地台西北部龙门山-大巴山台缘坳陷、龙门山陷褶断束、宝兴穹褶断束,地层区划属上扬子地层分区九顶山小区,区内出露志留系(S)、泥盆系(D)、第四系(Q)地层。

1.1.1 志留系

矿区志留系茂县群(SM)出露一段(SM1)、二段(SM2)、三段(SM3)。二段(SM2)为饰面用大理岩赋矿层位(图1)。

图1 地质及工程控制情况略图Fig.1 Sketch of geological and engineering control

(1)志留系茂县群一段(SM1):灰白色细晶灰岩,局部夹泥质灰岩,具细晶结构,块状构造。岩石中见方解石细脉和黄铁矿晶体。厚度大于116.77 m。

(2)志留系茂县群二段(SM2):灰白至白色大理岩夹褐紫红色白云质大理岩、紫红色、灰绿色泥质粉砂岩。大理岩具细晶结构、层状构造,岩石坚硬,断口呈贝壳状构造,为优质饰面用大理岩,厚400～452 m；白云质大理岩具细晶结构、块状结构,表面刀砍纹发育,岩石中见方解石细脉,厚5～20 m；泥质粉砂岩具粉砂结构、薄层状构造,厚10～15 m。

(3)志留系茂县群三段(SM3)上部为灰黑色页岩夹中厚层细晶灰岩,细晶灰岩层厚一般为4～5 m；中部为灰色石英细砂岩,具细粒结构、中厚层状构造,局部夹泥质灰岩；下部为灰白色变石英砂岩,变晶结构,中厚层状构造,具硅化。底部为绢云母片岩，厚度为348 m。

1.1.2 泥盆系

(1)泥盆系下统捧达组(D1p),下段(D1p1)为浅灰-灰白色石英砂岩,夹薄层粉、细砂岩,具细粒结构,中厚层构造,厚为94.86 m。上段(D1p2)为灰黑色页岩、浅灰色灰岩、黑灰色泥质灰岩、深灰色硅质灰岩不等厚互层。页岩为薄层状构造,页理发育,层厚为0.8～1.0 m；灰岩具微晶结构、中厚层构造；泥质灰岩具细晶结构、中厚层构造；硅质灰岩具细晶结构,块状构造,岩石坚硬,方解石脉发育，厚为297.70 m。

(2)泥盆系中统河心组(D2h)为浅灰色中厚层状灰岩、泥质灰岩夹岩屑灰岩,具微晶-细晶结构、中厚层构造，厚为484.24 m。

1.1.3 第四系(Qh)

第四系不发育,仅零星分布于沟谷和缓坡地段。冲洪积物为基岩岩石的碎块、卵石、砂组成；残坡积物为腐植土、黏土、砂夹岩石碎块，厚为1～25 m。

1.2 构造

研究区位于金汤弧形构造带(图1),中樑子倒转向斜的东翼,地层走向27°～45°,倾向北西,倾角为50°～60°,主要为北东向平行排列的逆冲断层,以北东向为主。F1冲断层为青草塘弧形冲断层的东翼部分,该断层将志留系茂县群(SM)地层错断,造成饰面用大理岩矿体在走向延续被中断。矿区内长1 100 m,断层走向北东35°～55°,倾向北西,倾角60°～70°,断距50～150 m,为压扭性断裂。褶皱多为断层破坏,局部受断裂牵引形成小的挠曲、褶曲现象。

2 矿体特征

矿体赋矿层位为志留系茂县群二段(SM2),按饰面石材标准和岩性特征,分上矿层(Ⅰ号矿体)和下矿层(Ⅱ号矿体)(表1),由于受F1断层的影响,将上、下矿层错成两段。以断层F1为界,在干沟南侧为Ⅰ-1、Ⅱ-1号矿体；北侧为Ⅰ-2、Ⅱ-2号矿体。上矿层为志留系茂县群二段(SM2)白色大理岩,下矿层为志留系茂县群二段(SM2)灰白色大理岩夹褐紫红色白云质大理岩。矿层之间为深灰色泥质粉砂岩。

Ⅰ-1号矿体产于茂县群二段(SM2),为白色大理岩,赋存标高2 390～2 544 m。呈中厚层状-块状产出，经7条探槽(TC0、TC1、TC2、TC3、TC4、TC7、TC9)和3个钻孔(ZK001、ZK301、ZK401)控制,矿体产状为倾向218°∠47°，总长550 m,最大延深106 m,厚46.30～92.63 m。

表1 矿体特征Table 1 Ore body characteristics

Ⅰ-2号矿体产于茂县群二段(SM2),为灰白-白色大理岩,赋存标高2 240～2 385 m,呈厚层状-块状产出,经5条探槽(TC11、TC13、TC15、TC17、TC19)和2个钻孔(ZK1302、ZK1702)控制,矿体长418 m,最大延深37 m,厚度50.31～79.68 m。

Ⅱ-1号矿体产于茂县群二段(SM2),为灰白色大理岩夹褐紫红色白云质大理岩,赋存标高2 110～2 157 m,呈厚层状-块状产出,产状164°∠38°,经3条探槽(TC0-2、TC1-2、TC3-2)和1个钻孔(ZK002)控制,矿体长198 m,延深36 m,厚24.99～62.03 m。

Ⅱ-2号矿体产于茂县群二段(SM2),为灰白色大理岩夹褐紫红色白云质大理岩，赋存标高2 010～2 084 m，呈厚层状-块状产出，产状280°∠54°。经2条探槽(TC17-1、TC19-1)和1个钻孔(ZK1703)控制,矿体长126 m,延深38 m，厚度50.39～69.93 m。

研究区矿体属于沉积变质碳酸盐岩类—粉晶-细晶大理岩。据矿石产出的地质特征,可划分为块状矿石、厚层状矿石、中厚层状矿石、薄层状矿石。块状与厚层状矿石颜色、矿物成分、结构构造较均一,厚度在1 m以上,该类矿石约占41%左右,其质量高,成块性好,为开采优质石料的重点对象[图2(a)]；中厚层状矿石颜色、矿物成分无明显变化,单层厚0.3～1 m,该类矿石占55%以上,受层厚影响,其利用价值较前者要低；极少量的薄层状矿石由于厚度太小,基本上不能用作饰面用石材,但可作为钙粉、水泥、建筑骨料等原料综合利用。

3 矿石特征

3.1 矿石颜色及其变化

绚丽多彩的颜色是各种矿物对不同波长的可见光选择性吸收或反射的结果,与其所含的矿物成份密切相关。大理岩矿石色泽多为渐变过渡关系,无明显规律。矿石以灰白色为主,白色次之,颜色均匀,偶见褐紫红及花斑条纹(白云质含量高)。Ⅰ 矿层中上部多为灰色大理岩,下部以白色大理岩为主；Ⅱ 矿层顶部为少量为白色大理岩,下部为灰色大理岩。根据探槽和钻孔取样对比,颜色沿走向变化较小。经与附近已开发矿山商业品种对比,结合矿区实际,对矿区饰面用大理岩矿石品种和品级初步划分如下。

饰面用大理岩以灰色大理岩为主(50%～55%),灰白色大理岩次之(40%～50%),褐紫红白云质大理岩最少(<5%)。其商品名称为灰色大理岩-青花白,灰白色大理岩——东方玉,褐紫红大理岩——紫罗兰。

①青花白色泽以灰色为基调,含较多青灰,少量灰白、褐黄等色带或晕斑,花色较美观[图2(c)]；②东方玉色泽黄白,含少量浅黄、褐黄等色线、色斑,粒度细小均匀,质地细腻、致密,色彩较纯正[图2(b)]；③紫罗兰色泽浅紫色,含少量浅黄、紫红等色线、色斑,粒度细小均匀,质地细腻、致密,色彩较纯正[图2(d)]。

图2 饰面用大理岩及商品特征Fig.2 Marble and commodity characteristics for decoration

3.2 矿石结构及物质组成

矿石结构及物质组成是影响其物理性质的关键因素。大理岩中的方解石结晶颗粒较均匀,粒径为0.1～0.3 mm,以微粒-细粒结构、微粒变晶结构为主,少数纤状变晶结构、半自形-自形粒状镶嵌结构，致密块状、变余层理构造,局部条带状构造。

据薄片鉴定结果,大理岩矿物成分以方解石为主(80%～94%),次为白云石(5%～15%),少量泥质、砂质、绢云母、黄铁矿等。具粉-细晶结构、粒状变晶结构、条带状构造,内部可见团块状的重结晶现象；方解石呈微晶、细晶,一般粒度为0.02～0.25 mm；白云石多呈它形晶,略具定向性,呈条带状分布；砂质为粉-细粒的石英、长石颗粒,呈次棱角状,粒度为0.04～0.3 mm；泥质均匀分布于方解石表面及颗粒间，偶见绢云母、黄铁矿,绢云母一般沿矿层结构面分布；黄铁矿则呈星点状产出,粒径为0.1～1.0 mm,一般沿层面分布,氧化后在矿石中多形成褐色晕斑或留下不规则凹坑,对板材质量有一定影响。

3.3 矿石化学组分

化学组分是研究矿石用途的基础,决定了矿石的性质和用途。在探槽工程中共采集36件大理岩样品,在钻孔共采集24件大理岩样品,统计分析结果如表2所示。大理岩CaO含量为25.96%～55.58%,MgO含量为0.31%～25.34%,SiO2含量为0.17%～10.04%,Fe2O3含量为0.035%～3.67%,TiO2为0.01%～0.16%, K2O为0.02%～1.70%, Na2O为0.01%～0.11%。该矿段大理岩矿质纯,CaO、MgO含量高,组分均一,含杂质少。岩石中除与Fe2O3、Al2O3含量微有差别外,其余组分含量、化学成分的差异对饰面石材质量无明显影响。大理岩化学成分在地表(探槽)与深部(钻孔)的变化, MgO含量深部高于地表,Fe2O3含量地表高于深部,其他含量差别小。据化学组分分析,研究区大理岩可用于水泥、钙粉、骨料等用途。

表2 大理岩化学分析结果Table 2 Chemical analysis results of marble

3.4 矿石物理力学性质

3.4.1 矿石天然密度、吸水率

矿区共采集10件样品测试天然密度,9件样品测试天然吸水率(表3)。大理岩天然密度为2.66～2.81 g/cm3,平均2.74 g/cm3。其中,紫罗兰2.76～2.81 g/cm3、青花白2.66～2.74 g/cm3、东方玉2.67～2.78 g/cm3。

表3 天然密度、吸水率测试结果Table 3 Test results of natural density and water absorption

吸水性与孔隙率及孔隙特征有关,通常情况下质地越紧密坚硬的石材吸水率越小[14]。低于1.5%的岩石称为低吸水性岩石；吸水率介于1.5%～3.0%的称为中吸水性岩石；吸水率高于3.0%的称为高吸水性岩石。大理岩天然吸水率为0.14%～0.56%,平均0.28%。其中,紫罗兰0.35%～0.56%、青花白0.15%、东方玉0.14%～0.31%,均为低吸水性岩石。

3.4.2 巴氏硬度、耐磨性、光泽度、白度

研究区共采集10件样品测试巴氏硬度、耐磨性,5件样品测试光泽度,2件样品测试白度。由四川省建材产品质量监督检验中心和四川省建筑工程质量检测中心测试。巴氏硬度是指其抵抗其他物体机械侵入的能力,大理岩的巴氏硬度在90～96,平均93.6。其中,紫罗兰94、青花白94、东方玉90～96。耐磨性指其抵抗磨损的能力,与物质成分、结构构造、抗压强度等密切相关[15],大理岩耐磨性83～122 mm3,平均101.7 mm3。

光泽度也是衡量石材品质和加工质量的重要指标,取决于组成石材的矿物的颜色、结构、结晶程度、透明度等因素。大理岩石材光泽度在78°～100°，紫罗兰78°、青花白100°、东方玉96°(表4)。东方玉粉状矿石的白度85.1°～88.2°,平均86.7°。

表4 巴氏硬度、耐磨性、光泽度测试结果Table 4 Test results of babbitt hardness, wear resistance and glossiness

3.4.3 大理岩力学性质

抗压强度是以边长为50 mm的立方体试块吸水饱和状态下的抗压极限强度平均值；抗折强度比抗压强度小[16],为抗压强度的1/20～1/10,是典型的脆性材料。研究区共采集10组力学样品,由川西北地质工程勘察院岩土测试中心测试,大理岩抗压强度为39.57～106.6 MPa,平均72.42 MPa。其中,紫罗兰80.50～89.15 MPa、青花白39.57～106.60 MPa、东方玉41.72～71.31 MPa。抗压强度测试结果表明,研究区大理岩可满足饰面和建筑石料用要求,综合利用可有效提高资源利用率,降低开采成本。抗折强度为2.05～6.45 MPa,平均4.81 MPa，紫罗兰3.32～5.83 MPa、青花白2.05～6.17 MPa、东方玉5.38～6.45 MPa(表5)。

表5 大理石物理力学测试结果Table 5 Physical and mechanical test results of marble

3.5 矿石的放射性特征

天然石材因含有天然放射性核素而具有一定的放射性[17-18],为保证使用安全,对大理岩3个品种的放射性进行了检测(表6),由四川省建筑工程质量检测中心测试。根据《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)及《民用建筑工程室环境污染控制规范》(GB 50325—2010)的要求,装饰材料中天然放射性标准限量内照射指数IRa≤1.0和外照射指数Ir≤1.3的要求为A类装饰材料,A类装饰材料的产销和使用范围不受限制。

表6 大理石放射性测试结果Table 6 Test results of marble radioactivity

研究区饰面大理岩原岩主要为低放射性的碳酸盐岩[19],因而各品种的大理岩矿石放射性测试均低于检出下限,达到A类装饰材料要求,其产销和使用范围不受限制。

4 结论

(1)研究区饰面大理岩赋存于志留系茂县群中部,出露标高2 010～2 544 m,含矿岩层厚度大,绵延数十公里,资源量丰富。矿石以白色、灰白色大理岩为主,少量褐紫红白云质大理岩。

(2)大理岩CaO含量25.96%～55.58%,MgO含量0.31%～25.34%,SiO2含量0.17%～10.04%,Fe2O3含量0.035%～3.67%,TiO2为0.01%～0.16%, K2O为0.02%～1.70%, Na2O为0.01%～0.11%。天然密度为2.66%～2.81 g/cm3,吸水率0.14%～0.56%,巴氏硬度在90～96,耐磨性在83～122 mm3,光泽度在78°～100°,白度为85.1～88.2,饱和抗压强度在39.57～106.60 MPa,抗折强度2.05～6.45 MPa；IRa、Ir均低于检出下限,符合A类石材用要求。

(3)研究区饰面大理岩石材分为青花白、东方玉、紫罗兰3个品种。大理岩矿质细腻,颜色纯正,花纹和谐,光泽度较高,具良好的装饰性能和耐久性,可优先作为饰面石材用,剩余荒料综合用于水泥、钙粉、骨料等。为该地区志留系大理岩的开发利用提供参考和依据。