塔木素黏土巖礦物成分與彈性模量相關性研究

王瑜，梁海安,2，胡清波，陳?？?，萬超，謝哲

（1東華理工大學 建筑工程學院，江西南昌 330013；2東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室培育基地，江西南昌 330013）

0 引言

彈性模量是衡量巖石抵抗彈性變形能力大小的尺度，可表征巖石的變形性質，對巖體工程具有重要意義。從礦物成分的微觀角度研究巖石的彈性模量有利于更好地認清巖層特性。國內外學者對巖石內部性質和力學性質的關系進行了深入的研究。A.Tugrul[1]等建立了花崗巖的工程性質與礦物成分的關系，Lindqvist[2]、Johansson[3]等研究了礦物成分、顆粒大小、孔隙度等內部性質對巖石力學性質的影響。孟召平[4]、趙斌[5]等研究了巖石成分和結構與力學性質的關系。

黏土巖被認為是良好的核廢料地質處置庫備選圍巖類型之一，內蒙古巴音戈壁盆地塔木素地區是重要的備選黏土巖預選區之一。研究塔木素地區黏土巖礦物成分與彈性模量相關性，對核廢料地質處置庫的選址以及評價核廢料地質處置庫的安全穩定性具有重要意義。

1 空間平均模型估算彈性模量

為了研究礦物組成對彈性模量的影響，必須建立巖石的物理模型[6]?？臻g平均模型在孔隙率較低或壓力較高情況下與實際情況更相符，由于塔木素地區黏土巖孔隙率較低，因此采用空間平均模型對塔木素地區黏土巖的彈性模量進行估算。

Voigt[7]最早提出一個平均模型，假設外加應力在巖石內各種礦物中引起的應變是均勻的，在巖石內的各種礦物沿著受力方向平行排列。假定巖石中有N種礦物，Voigt模型的巖石體積模量 KV和剪切模量μV分別為：

其中，Ki為第i種礦物的體積模量，μi為剪切模量，Vi為礦物所占巖石體積的百分比。

Reuss[8]也提出類似的平均模型，他假設組成巖石的各種礦物的應變場并不均勻，但是它們都承受同樣的應力。在巖石內的各種礦物是成層排列的，不過成層的方向與應力方向垂直。巖石的體積模量KR、剪切模量μR分別為：

后來，Hill[9]對這兩種模型取算數平均值，得到的體積模量KVRH、剪切模量μVRH分別為：

Kumazawa[10]仿照Hill的做法，對兩種模型的結果取幾何平均值：

之后根據以下換算公式可求解出彈性模量：

其中，K為體積模量，G為剪切模量。

表1為主要礦物的基本彈性參數[6]。由于綠泥石比其它黏土礦物具有更高的體積模量和剪切模量，因此把綠泥石單獨列出。

表1 主要礦物的基本彈性參數

2 塔木素地區黏土巖礦物成分與彈性模量相關性研究

圖1 編號S-1B的巖樣薄片圖

圖2 編號 S-6的巖樣薄片圖

2.1 塔木素地區黏土巖礦物成分與彈性模量結果

選取塔木素地區地下淺層和深層黏土巖樣，用Leitz偏光顯微鏡對其進行巖礦鑒定。圖1和圖2分別為巖石編號為S-1B和S-6的巖樣薄片圖。表2為塔木素地區黏土巖的礦物成分和含量。組成該地區淺層黏土巖的礦物成分中泥質和白云石含量最多，深層黏土巖的礦物成分中石英含量有所增加。

表2 塔木素地區黏土巖礦物成分和含量

根據Voigt模型、Reuss模型、Hill和Kumazawa的方法， 計算出塔木素地區黏土巖四種方法下的彈性模量理論值。對巖樣進行單軸和三軸實驗，根據工程巖體試驗方法標準，采用割線彈性模量計算巖樣的彈性模量實驗值。其理論值與實驗值結果見表3。

表3 塔木素地區黏土巖彈性模量理論值與實驗值結果表

2.2 塔木素地區黏土巖礦物成分與彈性模量相關性

由表3可得，深層黏土巖石英的礦物含量平均比淺層黏土巖高16.65%，深層黏土巖的彈性模量實驗值平均比淺層黏土巖高17.48%?？梢酝茰y，隨著石英含量增加，彈性模量增大。由于石英是脆性礦物，會增強巖石的力學性質。

塔木素地區的礦物成分主要為泥質和白云石，為了研究泥質、白云石對彈性模量的影響，分別用線性、對數、指數和冪函數對其關系曲線進行擬合。圖3、圖4分別為淺層黏土巖彈性模量和泥質含量、白云石含量關系圖。可以看出，隨著白云石含量增加，彈性模量總體呈上升趨勢。而隨著泥質含量增加，彈性模量總體呈下降趨勢。白云石屬三方晶系的碳酸鹽礦物，其摩爾硬度在3～4之間，對巖石力學性能起到加強作用。泥質礦物屬于黏土質礦物，會弱化巖石力學性質。對于彈性模量和泥質含量的關系曲線，冪函數擬合精度最高。而對于彈性模量和白云石含量的關系曲線，指數函數擬合精度最高。

圖3 彈性模量和泥質含量關系圖

圖4 彈性模量和白云石含量關系圖

比較彈性模量的理論值和實驗值，可以看出深層黏土巖實驗值與理論值相符。Voigt提出的平均模型假設了理想化的應變分布，Reuss提出的平均模型假設了理想化的應力分布，兩種理想化的假定會導致誤差。而且與淺層巖體不同，深層巖體一些區域處于臨界高應力狀態。對深層黏土巖進行了高溫三軸實驗，深層黏土巖比淺層黏土巖受到了更高的壓力。因此，深層黏土巖實驗值與理論值相符。

3 結論

（1）我國塔木素地區黏土巖的礦物成分中泥質和白云石含量最多，深層黏土巖的礦物成分中石英含量有所增加。

（2）隨著石英和白云石含量增加，彈性模量總體呈上升趨勢。而隨著泥質含量增加，彈性模量總體呈下降趨勢。彈性模量和泥質含量關系可用冪函數擬合，彈性模量和白云石含量關系可用指數函數擬合。

（3）塔木素地區深層黏土巖的彈性模量實驗值與理論值相符。

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