Co-Ni在镁铁-超镁铁层状岩体中的分布特征及对岩浆成矿的指示:以Stillwater岩体为例

美国Stillwater岩体是全球典型的大型层状岩体之一,由底部基底岩系、超镁铁岩系和条带状岩系组成。本文分析了该岩体不同岩石类型中橄榄石、辉石、铬铁矿及全岩的镍(Ni)、钴(Co)含量变化并揭示其控制因素。在超镁铁岩系内,橄榄石的Ni、Co含量分别为2070×10^(-6)~3019×10^(-6)和105×10^(-6)~205×10^(-6),铬铁矿的Ni、Co含量分别为434×10^(-6)~1843×10^(-6)和221×10^(-6)~737×10^(-6),均高于共生的斜方辉石(Ni:464×10^(-6)~678×10^(-6);Co:31×10^(-6)~95×10^(-6))及单斜辉石(Ni:237×10^(-6)~378×10^(-6);Co:15×10^(-6)~45×10^(-6))。从岩体剖面上来看,最底层岩性旋回由于尚未发生铬铁矿的堆晶,橄榄石具有较高的Co含量(173×10^(-6)~193×10^(-6)),而相应G-H岩性旋回中铬铁岩所含橄榄石的Co含量由于铬铁矿的堆晶而明显降低(125×10^(-6)~141×10^(-6))。橄榄石的大规模结晶导致最底层岩性旋回层中的铬铁矿Ni含量(434×10^(-6)~558×10^(-6))明显低于其它含铬铁岩的岩性旋回层(B岩性旋回层:700×10^(-6)~1843×10^(-6);G-H岩性旋回层:641×10^(-6)~1206×10^(-6);J-K岩性旋回层:1046×10^(-6)~1135×10^(-6))。此外,橄榄石及铬铁矿二者的矿物比例与超镁铁岩带全岩的Co/Ni含量比值具有明显的负相关性,表明这两种矿物对熔体中Ni、Co元素的控制作用。在条带状岩系中,由于橄榄岩及铬铁矿仅在局部出现而未发生大规模堆晶作用,斜方辉石(Ni:375×10^(-6)~652×10^(-6);Co:101×10^(-6)~112×10^(-6))与单斜辉石(Ni:278×10^(-6)~384×10^(-6);Co:41×10^(-6)~56×10^(-6))的Ni、Co含量与下部岩系相比均略有增加,但全岩的Ni、Co含量(Ni:88×10^(-6)~947×10^(-6);Co:21×10^(-6)~53×10^(-6))相比于超镁铁岩系的Ni、Co含量(Ni:698×10^(-6)~1755×10^(-6);Co:99×10^(-6)~207×10^(-6))明显降低,暗示橄榄石及铬铁矿在超镁铁岩系的大规模结晶已经导致了熔体的Ni、Co亏损,从而无法发生大规模的Ni-Co硫化物矿化。而硫化物的缺失使得铂族元素(PGE)更多由铬铁矿结晶所释放出的流体汇聚并向上迁移,最终被岩体的下、中部条带状岩系中橄榄岩亚带OB-I和OB-V内饱和熔离的硫化物所捕获,形成世界级的J-M Reef和Picket Pin PGE矿化层。

扬子地块北缘毕机沟岩体下部带堆晶岩结构定量化分析:对层状岩体冷却早期粒间熔体排出机制的约束

层状岩体冷却中—晚期晶粥中粒间熔体的排出被认为与铁钛氧化物的大量结晶关系密切,但在岩体冷却早期铁钛氧化物尚未大量结晶时,粒间熔体能否被有效排出、以及如何排出还需要深入探究。扬子地块北缘毕机沟岩体是我国目前发现的规模最大、分异程度较高且赋存有钒钛磁铁矿矿床的层状岩体。岩体下部带、中部带和上部带分别由斜长橄榄岩、辉长岩和闪长岩组成。本研究以下部斜长橄榄岩相带为对象,通过对斜长石和单斜辉石进行晶体粒度分布(CSDs)和空间展布形式(SDPs)分析,探讨层状岩体冷却早期粒间熔体的排出方式及其控制因素。模拟计算结果表明,样品中封闭粒间熔体比例(FTL)为9%~13%,暗示岩体冷却早期粒间熔体被有效排出。单斜辉石和斜长石的CSD曲线斜率主要为3.36~2.45和2.99~1.87,截距分别为0.45~3.35和1.06~2.83,均具有斜率一致而截距变化较大的特征,与机械压实的CSD曲线一致。单斜辉石和斜长石在SDP图解上均显示负相关关系,也与机械压实趋势一致。因此,毕机沟岩体冷却早期粒间熔体的排出机制为机械压实。在此基础上,我们将毕机沟与全球其他典型层状岩体从岩体规模、粒间熔体和堆晶矿物密度差、晶体堆积速率与压实速率以及晶粥层厚度等方面进行系统对比后发现,在层状岩体冷却早期没有岩浆补给和对流的情况下,当岩体规模相近时,压实受控于堆晶矿物与粒间熔体密度差,密度差越大压实越容易发生;而当岩体规模不同时,规模越大压实越容易发生。

缓倾层状岩体各向异性力学性能与破裂特征研究

为研究缓倾层状岩体结构特性对其各向异性力学性能和破裂演化特征的影响,本文考虑不同结构面间距、强度、倾角等结构特征参数及模型尺寸效应,开展缓倾层状砂泥岩多因素影响试验研究.基于颗粒流方法建立缓倾层状岩体数值力学模型,通过室内试验标定了层状砂泥岩参数,并验证了所建立模型的有效性.通过颗粒流数值力学试验,创新性地研究层状岩体结构面的裂纹发育速率,进而揭示缓倾层状砂泥岩强度各向异性及破裂演化特征,确立其力学特性与结构面间距、强度、倾角三个结构特性之间的关系.研究结论:(1)引入的平节理模型(FJM)与光滑节理模型(SJM)建立的离散元力学模型,能表征缓倾层状岩体强度各向异性力学特性与破裂演化过程;(2)缓倾层状岩体切线模量与强度,随层间距和层间强度的增大而增大,随结构面倾角的增大而减小,破裂特征受结构面的影响逐渐增大,基于单组结构面理论计算结构面发生剪切破坏的临界角度为24.5°;(3)结构面裂纹的发育速度,随结构面间距的增大而减小、随结构面倾角的减小而减小,随结构面强度的变化不明显.本文研究结果为缓倾层岩体隧道的力学行为与围岩稳定性研究提供了参考.

西延高铁隧道缓倾层状岩体破坏机理及防治措施

针对西延高铁新延安隧道侏罗系下统页岩夹砂岩缓倾层状岩体初支变形及破坏问题,采用workbench静态结构及特征值屈曲模块进行支护结构建模,对初支结构破坏机理进行分析,对支护措施进行优化研究。研究表明:(1)缓倾层状岩体隧道围岩及支护结构变形破坏,主要受缓倾层状岩体岩性及缓倾层理构造等地质因素影响;(2)支护结构的破坏模式为支护结构面内屈曲,在围岩压力达到初支结构材料承载极限时出现失稳,压力继续增加时呈现压溃破坏;(3)缓倾层状岩体隧道围岩变形复杂,隧道开挖后围岩变形时间长,宜采用刚性支护,采用型钢支护相较于原设计的格栅支护在缓倾层状岩体变形控制及承载方面更合理。

峨眉山太和岩体角闪石地球化学特征与岩浆演化

太和镁铁质-超镁铁质层状岩体位于峨眉山大火成岩省内带,赋存有超大型的钒钛磁铁矿矿床。根据岩石矿物组合、矿物含量及结构特征等,岩体从下向上可划分为下部岩相带、中部岩相带和上部岩相带,并且中部岩相带可进一步划分为Ⅰ~Ⅵ旋回。太和岩体不同层位广泛分布有角闪石,大多数样品角闪石体积分数在1%~3%之间,局部可达5%~10%。岩相学研究显示,角闪石呈嵌晶结构且具有均一的光学特征。结合地球化学组成判别,这些角闪石与幔源岩浆有关,是岩浆演化晚期结晶的产物。下部岩相带角闪石含有相对较高的w(Cr)(3×10^(-6)~112×10^(-6))和w(Ni)(114×10^(-6)~163×10^(-6)),而中部岩相带和上部岩相带都显示较低的w(Cr)(3.81×10^(-6)~28.1×10^(-6))和w(Ni)(0.42×10^(-6)~20.9×10^(-6)),暗示下部岩相带的母岩浆相对原始,是一种富Fe-Ti岩浆。另外,中部岩相带角闪石TiO_(2)变化呈韵律旋回变化,且在Ⅵ旋回中角闪石明显富集Nb并迅速向上降低。同时,角闪石微量元素蛛网图反映中部岩相带的母岩浆显著富集Y、REE、Sr等元素。这些特征暗示中部岩相带的母岩浆是一种演化的岩浆。通过角闪石成分估算的岩浆氧逸度呈旋回变化,从旋回底部到旋回顶部氧逸度逐渐降低,这个特征与角闪石Fe^(3+)/(Fe^(3+)+Fe^(2+))比值变化相似。高氧逸度和岩浆富水是导致磁铁矿早期结晶的关键控制因素。

层状岩石逆倾向与顺倾向剪切破坏特征的差异性研究

层状岩石层理效应的研究对深部岩体稳定性分析具有重要意义,而天然层状岩石逆倾向与顺倾向剪切力学行为差异性仍认识不清。为此,开展了0°≤ψ≤180°(ψ为剪切面顺时针旋转至层理面的滑动倾向角)的页岩全角度剪切试验,详细地研究了逆倾向与顺倾向下剪切力学特性和破坏模式的差异性,并结合离散元模拟进行了补充分析与验证。研究结果表明:顺层面剪切时抗剪强度取得最小值,ψ=30°时取得最大值,90°与135°时取得局部极大值,逆倾向抗剪强度相对更高,ψ>30°时随滑动倾向角增加抗剪强度总体呈减小趋势;根据不同滑动倾向角下剪切力学行为的差异性,按滑动倾向角将层状岩石分为三组,即层面张拉与基质剪切组(15°~60°)、基质剪切组(75°~120°)、基质与层面剪切组(135°~180°);基质剪切组在剪切应力-位移曲线峰前均存在应力降现象,层面张拉与基质剪切组在峰后呈“阶梯”状应力降低;张拉破坏与剪切破坏同时存在且以剪切破坏为主;顺层面剪切时层面的剪切裂纹数目占优,ψ=90°时基质体的剪切裂纹数目最多,ψ=30°时层面的张拉裂纹数目最多,其次是基质体的剪切裂纹,ψ=150°时以层面、基质体的剪切裂纹为主。研究揭示了层状岩石逆倾向与顺倾向剪切的各向异性特征及差异性根源,可为各向异性力学模型完善、灾变机制及围岩稳定性分析提供科学依据。

层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律试验研究

层理发育型直接顶岩层结构非连续性导致承压力学性状复杂,作为“支架-围岩”系统中关键性中间媒介,其性状会直接影响围岩控制效果。为保证该类工作面安全生产,亟需探究层理发育型层状岩体承压力学性状演变规律。采用不同向加压力学试验及理论分析法,系统研究不同形式加压环境层理发育型层状直接顶原型试样压力传递、形变破坏演变规律及层间效应与其破坏响应机制,结果表明:层理发育型层状岩体轴向承压时纵向裂隙会在层面处间断或偏折,局部迹线呈梯阶状,层面处多会发育出小尺度径向裂隙,点、侧压下层状样体均发生由层间效应主导的片层式破坏,破坏状态与承压角正向相关,承压会沿层面偏转后穿层向下迁移,且会发生重复性压降,扩容形变呈跳跃阶段式变化,依次为缓增长、线性增长及陡向急增,层间效应作用方式与层理发育型层状岩体结构密切相关,多分层灰白色直接顶主要为偏转压力散播路径,而大层间距黑色直接顶为异化传压路径、影响结构稳定及破坏状态。

高压气体爆破作用下层状岩体的地表振动效应预测方法

针对高压气体爆破致裂机理和振动效应传播机制研究不足的现状,首先,系统分析了冲击波、多介质流场与炮孔孔壁界面之间的相互作用全过程,突破了爆破荷载在孔壁界面处的过理想连续条件,推导了满足界面压力不连续条件的孔壁压力计算模型;然后,提出了一种高压气体爆破作用下层状岩体的地表振动效应预测方法,并通过比较所提预测方法与数值模拟方法对同一算例的地表振动效应计算结果,验证了所提地表振动效应预测方法的可行性。研究结果表明:在掏槽爆破效果相同的前提下,高压气体爆破比炸药爆破更能有效控制层状岩体的爆破振动效应安全;可为高压气体爆破的方案优化和振动效应预测及控制提供重要的理论指导,尤其适用于地表振动需要严格控制的城市地下工程。

考虑残余强度的层状岩体损伤演化规律

为更加真实准确地描述层状岩体的损伤演化过程,结合横观各向同性材料的弹性理论和损伤力学理论,采用修正的Lemaitre应变等价假设,建立了考虑残余强度的层状岩体损伤本构模型,通过页岩、千枚岩和板岩的三轴试验数据验证了模型的准确性,并分析了不同层理角度岩体的全过程损伤演化规律.研究表明:模型既可以描述层状岩体的弹性变形,又可以较好地反映峰后应变软化过程;在初期加载过程中岩体的损伤值基本为0,随着应力增加,损伤值呈现出缓慢增长、加速增长、减速增长以及达到残余强度后稳定于1;页岩层理角度为60°时损伤演化曲线最陡,损伤发展速度最快,最先破坏,千枚岩层厚较薄,强度更低,层理角度为90°时最先破坏,而板岩相对较厚,强度更高,层理角度为45°时最先破坏;岩体层理弱面的存在,导致了力学性能和破坏模式的各向异性,损伤演化规律也表现出明显的差异性.

考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨

为了解层状岩体结构面产状对围岩评分的影响,在总结国内外相关规范及研究成果的基础上,综合考虑围岩结构面产状分布,对层状岩体引水隧洞围岩评分进行精细化分析,重点考虑隧洞开挖方向和岩体结构面倾向、倾角对隧洞围岩稳定性的影响。首先,采用有限元软件Midas GTS对21种工况进行数值模拟,对模型拱顶、边墙、底板处的位移、围岩压力、最大剪应力、最大主应力和最小主应力计算结果进行综合分析;然后,采用层次分析法(AHP)进行指标权重计算;最后,运用隶属度函数对各指标构建模糊矩阵,用得出的模糊矩阵乘以AHP法所得权重,得出结构面产状评分结果。研究表明:当结构面走向与开挖方向夹角为0°时,随着结构面倾角的增加,拱顶和底板评分大幅增加。

缓倾层状岩体隧道底部结构变形和裂缝发展规律

以渝黔铁路(重庆—贵阳)老周岩隧道为工程背景,采用三维离散元数值模拟方法,分别研究了不同岩层层理倾角和侧压力系数条件下隧道底部结构变形特征和裂缝发展规律。结果表明:隧道底部结构隆起量和中轴线两侧隆起不对称程度均随倾角、侧压力系数的增大而增大,底部结构隆起量最大值出现在层理方向与隧道底部相切位置;底部结构裂缝张开量、剪切滑移量和分布范围均随倾角、侧压力系数的增大而增大;随倾角增大裂缝发展最显著位置由仰拱中心向右墙脚移动,随侧压力系数增大裂缝向深部扩展程度增大,底部结构三角形破裂区域范围也逐渐增大。

三点弯曲下不同加载速率对层状岩体中裂纹扩展规律试验研究

为了研究不同加载下裂纹在含弱层理三层岩体中的扩展特征,开展了不同加载速率下预制裂纹且中间层是弱层理的三层混凝土梁三点弯曲试验,采用了数字图像相关技术(DIC),分析了加载过程中裂缝的产生、扩展和贯穿过程,得到了试验过程中裂纹扩展和水平应变云图的演化规律。结果表明:弱层理对层状岩体裂纹的扩展有阻碍作用,当随着加载速率的增加,总裂纹长度与顺层破裂裂纹也增加,因此弱层理的止裂效果与加载速率成正比的关系。此外,通过DIC分析得到的应变云图能够直观表征层状岩体断裂时应变演化及裂缝产生、扩展和贯通过程。

不同倾角层状岩体巷道围岩变形破坏特征及机制研究

利用UDEC软件对不同层理面倾角层状岩体巷道围岩的变形位移情况进行了模拟,分析了围岩的内部应力分布,提出了不同层理面倾角巷道围岩的变形破坏机制。研究结果表明:相比于均质岩体,层状岩体由于层理面的存在致使围岩的变形破坏特征更加复杂,层理面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著影响,随着层理面倾角的增大,围岩变形破坏的非对称性逐渐增强。具体表现为沿层理面的垂直方向变形位移最大,当层理面倾角大于60°时,边墙的变形位移显著增大。当巷道开挖后,在地应力诱导和层理面影响的叠加作用下,先是层理面的剪切滑移、离层破坏,逐渐演化成穿过层理面的剪切—拉伸破坏,并最终过渡成基质的拉伸破坏。研究成果对深部层状岩体巷道围岩如何采取有效的加固措施具有理论和现实指导意义。

水平层状岩体内小断面拱形隧洞稳定性的层厚效应研究

为了探明水平层状岩体层厚对小断面拱形隧洞稳定性的影响规律,以某引水隧洞工程为工程背景,通过有限元软件Midas GTS对多种工况进行数值模拟。分析比较了不同工况下的隧洞变形位移、应力及应变计算结果,从而总结出了相应的影响规律。结果表明:层状顶板中拱部拱顶的位置是影响水平层状岩体小断面拱形隧洞变形的重要因素;当层厚H一定时,隧洞的变形随着拱部矢高与层厚比值(L/H)的增大而增大,但L/H超过0.5时,变形发生突变;在研究水平层状岩体层厚H对小断面拱形隧洞稳定性的影响时,所有工况的L/H必须保持一致才有意义;当L/H一定时,隧洞的变形位移、应力及应变分布范围均随着层厚H的增大而减小。即当L/H一定时,层厚H越大,越有利于水平层状岩体小断面拱形隧洞的稳定。

水平层状围岩变形规律及渐进破坏机理研究

层状岩体受结构面影响,其破坏模式和破坏机制明显不同于其他岩体。在层状岩体中修建隧道,围岩稳定性问题比较突出。以东风路隧道为背景,针对层状岩体隧道围岩的破坏模式及渐进变形破坏机制进行了研究,结论如下:水平层状岩体隧道围岩稳定性影响因素主要有地质因素、施工因素、工程因素;水平层状岩体的变形破坏模式主要为顺层滑移破坏和弯折破坏;层状围岩渐进变形破坏具有典型的逐层递进性演化特征,靠近初始临空条件的岩层优先出现离层,随后逐层垮塌破坏,垮塌破坏的跨度则逐层减小,直至平衡后,最终形成梯形拱的破坏形态。

水平层状围岩离层特征及离层影响因素研究

以南宁市东风路水平层状岩体隧道为背景,通过理论分析和现场试验,研究了水平层状围岩的离层特征及离层影响因素。离层的形成,是由于相邻岩层间的不协调变形引起的。当相邻岩层的层厚或力学性质差异较大时,隧道围岩离层便会产生。此外,离层的产生还受到岩体结构、围岩力学特性、地应力以及洞室尺寸等因素的影响。离层的产生及发展范围还受到关键层所在位置的影响,关键层距开挖断面越近,受到关键层的支撑和阻挡作用,离层所能影响范围越小,当围岩中不存在关键层时,离层影响范围大致为洞室跨度的一半。研究对类似工程具有借鉴意义。

地下层状岩体爆破的DDA方法模拟研究

爆破破岩是爆炸应力波和爆生气体压力共同作用的结果,岩体不连续面和地应力是影响地下岩石爆破的重要因素。在非连续变形分析(DDA)方法中引入接触阻尼算法,同时改进爆腔搜索算法,采用递归策略搜索联通裂隙网络,实现节理岩体爆破模拟中爆腔的实时跟踪,进而对爆炸应力波和爆生气体共同作用下地下层状岩体的单孔爆破进行数值模拟,研究节理间距对破岩效果的影响。结果表明:节理对爆炸应力波的衰减作用随着节理间距的增大而明显减弱,相应的爆腔体积增大和爆腔压力衰减减慢;节理间距的增加将减慢爆破能量的衰减,从而导致更多的裂纹数量和更大的破岩程度;当节理间距较小时,爆生气体破岩作用较大,而随着节理间距的增加,爆炸应力波破岩作用愈加明显;节理的存在还将导致爆破径向裂纹沿节理面的偏转并进而继续沿径向扩展或停止扩展;节理间距越大,径向主裂纹发育也越明显。

云南某磷矿层状节理岩体矿柱参数优化设计中的数值分析应用

层状节理岩体其力学行为呈现显著各项异性,而节理岩体中的矿柱在无侧限状态下受节理作用影响显著,因此,矿柱参数的优化研究对保障采场的稳定显得尤为关键。文章以某磷矿典型层状节理岩体为研究对象,重点采用Flac3D有限差分软件和UDEC离散元法对层状岩体中不同矿柱倾角对采场围岩稳定性的影响展开研究,对评估层状岩体中不同矿柱倾角下的围岩稳定性具有重要意义。通过文章的相关分析,获得了采场矿柱的最优倾角和矿柱尺寸,实现了对采场冒落范围的预测分析,为采矿过程中矿柱参数的优化设计提供了有力证据,同时也为类似矿山采场结构参数的优化设计提供了更为科学的指导。

基于单轴压缩声发射试验的层状岩体损伤规律分析

层状岩体的损伤破坏规律是岩土工程研究领域中的重要问题之一。以含层理倾角岩体为研究对象,对现有的单轴压缩声发射试验成果开展试验分析、理论研究和数值模拟。结果表明,层理构造对岩体破坏模式影响显著;利用声发射信号响应特征描述层状岩体在轴向荷载作用下损伤破坏规律具有良好效果;基于改进Duncan模型建立的新损伤模型适用于层状岩体在轴向荷载作用下的损伤演化分析,并利用有限元数值模拟对模型做了进一步验证。研究成果可为层状岩体损伤规律的后续研究提供一定的理论参考和技术支持。

强-中风化砂岩层状岩体中抗浮锚杆承载力研究

为有效解决城市地下空间抗浮问题,文中对中风化砂岩层状岩体中抗浮锚杆承载力进行研究。研究结果表明,当锚杆长度不大于15 m时,荷载-位移曲线表现为圆弧的形状,存在两个显著的转折点,锚杆的破坏阶段大致分成线弹性、弹塑性以及破坏三个阶段;当锚杆的长度大于15 m时,加载后锚杆的荷载-位移曲线仅存在一个转折点,锚杆的力学行为呈现为弹性及破坏两个阶段。锚杆长度的增加可有效降低相同荷载下的锚头位移,延长锚杆的弹性阶段,但锚杆长度存在极限值,该工程锚杆的长度极限值为16 m。