Study on Regularity and Threshold Curve of Rain-Induced Loess Landslide-Mudflow
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摘要:
为研究降雨诱发黄土滑坡-泥流的规律，论文设计了6组室内模型试验，分析了降雨诱发黄土滑坡-泥流的宏观变形过程、水文过程及位移变化规律，探讨了不同降雨强度、单次累计降雨量及坡度对滑坡发展的影响，并建立了发生滑坡及泥流时的阈值曲线。研究表明：在极端降雨条件下，黄土斜坡有滑动及滑动转流动两种破坏模式。当短时强降雨发生时，裂隙化斜坡内张性结构面充水，滑面强度降低，滑体以块体形式滑动，整个滑动过程表现出在长期蠕动中叠加间歇性加速滑动的特征，临界阈值曲线为：I=59D–0.67；当持续性降雨发生时，渐进滑动的斜坡体会出现强裂隙化区域，此区域内孔隙水压力持续升高，富水斜坡体会液化流动，流动过程具有持续高速流动的特征，临界阈值曲线为：E=200–2.5I。
Abstract:In order to study the law of rain-induced loess landslide-mudflow, this paper designed six sets of laboratory model tests, analyzed the macroscopic deformation process, hydrological process and displacement change law of rain-induced loess landslide-mudflow, discussed the influence of different rainfall intensity, single cumulative rainfall and slope on landslide development, and established the threshold curve when landslide and mudflow occurred. The results show that there are two failure modes of loess slope under extreme rainfall conditions: sliding and sliding transflow. When short-term heavy rainfall occurs, the tensile structural surface of the fractured slope is filled with water, the strength of the sliding surface decreases, and the sliding body slides in the form of a block. The whole sliding process shows the characteristics of long-term creep superposition intermittent accelerated sliding, and the critical threshold curve is as follows: I=59D−0.67. When continuous rainfall occurs, a strong fissure area will appear on the slope with progressive sliding, and pore water pressure in this area will continue to rise. The water-rich slope will experience liquefaction flow, which is characterized by continuous high speed. The critical threshold curve is E=200−2.5I.
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Keywords:
- rainfall /
- loess landslide-mudflow /
- model test /
- threshold curve
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透闪石和透辉石同属具链状结构的硅酸盐矿物（赵珊茸等，2004）。透闪石属单斜晶系，化学式Ca2Mg5[Si4O11]2（OH）2，SiO2含量为58.8%，MgO含量为 24.6%，CaO含量为 13.8%，H2O含量为 2.8%，有Te、Mn及Al等类质同象混入物。透闪石呈白色、浅灰色、浅绿色，单晶为长柱状或针状，集合体呈放射状、纤维状或隐晶质致密块状，具玻璃–丝绢光泽，密度为2.9～3.0 g/cm3，硬度为5.5～6。透辉石属单斜晶系，化学式CaMg[Si2O6]，SiO2含量为 55.6%，MgO含量为18.5%，CaO 含量为25.9%，有Te、Mn类质同象混入物，常含Al2O3、Cr2O3及V2O3等。透辉石呈浅绿–浅灰色，晶体为柱状，横切面近四边形，集合体呈粒状、棒状或放射状，玻璃光泽，密度为3.3～3.4 g/cm3，硬度为5～6（王珍等，2006；邵厥年等，2012）。透闪石、透辉石与硅灰石性质相似，作陶瓷原料都具有易干燥、熔点低、烧成温度低、吸水率低、收缩系数小、热膨胀率低并呈线性膨胀、一次抹釉速烧成型等优点，是低成本的陶瓷原料（汪仁勇等，1989；黄慧宁等，1993；陈国安，1998；张国强等，2005；杨素文等，2015）。在陶瓷原料中，透闪石、透辉石和硅灰石被称为“新三石”。
随着陶瓷工业的快速发展，燃料消耗越来越大，环境污染日益严重。因此，在陶瓷工业，采用“新三石”低温快烧生产工艺，无疑对实现低碳节能减排增效具有重要意义。加强“新三石”矿的地质勘查找矿和开发利用势在必行。南召县老庄透辉石–透闪石矿是河南省唯一的透辉石–透闪石矿床，透闪石+透辉石（Tl+Di）资源储量为434×104 t，属于大型矿床。因此，笔者对南召县老庄透辉石-透闪石矿床地质特征和成因等进行研究，以期发现更多的类似矿床。
1. 地质背景
1.1 区域地质
矿区位于栾川–明港区域性大断裂的北侧，大地构造位置属华北陆块南缘（朱嘉伟等，2008；闫全人等，2009；姜寒冰等，2014；王伟等，2014；黄杰等，2020）。栾川–明港区域性大断裂为华北陆块与秦岭造山带的分界断裂，是秦岭造山带与华北板块汇聚过程中发育在弧后盆地与华北板块南缘的汇聚–拼合带，对区域构造、岩浆作用及钼、钨、铁、金、银、铅、锌、萤石、滑石、透辉石等矿产的形成具有重要的控制作用。
区域基岩地层为长城系熊耳群、汝阳群和青白口系栾川群。熊耳群（ChX）为一套陆相中（偏）基性夹酸性火山岩组合，角度不整合于新太古界太华岩群（Ar3Th.）之上（梁涛等， 2014；刘传权等，2015）。岩性为安山岩、杏仁状安山岩、英安岩等，夹凝灰岩、火山角砾岩等，在栾川–明港区域性大断裂的北侧构造片理明显；汝阳群（ChR）为一套海相碎屑岩–碳酸岩组合，不整合于熊耳群之上。岩性为石英砂岩、长石石英砂岩和页岩，夹白云岩，底部有砾岩；栾川群（QbL）为一套浅变质碎屑岩–碳酸岩组合，岩性为变石英砂岩、千枚岩、片岩、大理岩和白云石大理岩等，以含炭质和石煤为特征，与熊耳群、汝阳群呈断层接触。
区域上北西西向和北北东向断裂发育，次为北西向和北东向断裂。北西西向断裂具有先压后张特征，北北东向断裂具先张后压特征，北西向和北东向断裂为共轭剪切断裂，是金、铅锌、银、萤石和透辉石等热液充填交代型矿床的主要容矿断层。
区域上早白垩世花岗岩浆活动强烈，广泛侵入于熊耳群、汝阳群和栾川群之中，岩性为二长花岗岩、花岗岩、石英正长斑岩等，是钼、钨、金、铅锌、银、萤石等岩浆热液型矿床的主要成矿母岩。
区域矿产主要有铁、钼、铅、锌、银、金、滑石、透辉石，次有锰、钾长石、大理石等，属华北陆块南缘Au–Mo–W–Pb–Zn–Ag–Fe–萤石–滑石–硫铁矿成矿带（III级成矿区带）中段（陈毓川等，2015）。其中，矿区南部外围的南召杨树沟铁矿和东部外围的方城县青山透辉石矿（姬果等，2018）、银子沟透辉石矿（台官涛，2019）均属矽卡岩型矿床，其成矿时代为早白垩世。
1.2 矿区地质
矿区除第四系外，基岩地层为长城系熊耳群和青白口系栾川群（图1）。
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图 1 南召县老庄矿区地质图Figure 1. Geological map of Laozhuang mining area in Nanzhao County, Henan Province熊耳群（ChX）：分布于矿区东北部及外围，为一套中基性火山岩系（河南省地质矿产局，1989），与栾川群南泥湖组呈断层接触，与矿区北部外围早白垩世钾长花岗岩呈侵入接触。主要由黑云角闪斜长片岩、黑云斜长片岩、变斑状黑云绿泥斜长片岩、变安山岩组成，局部见残留的杏仁体。受区域动力变质作用影响，以片理化和大量黑云母、绿泥石出现为特征。
栾川群（QbL）：分布于矿区中南部。区域上分三川组、南泥湖组、煤窑沟组、大红口组和鱼库组（席文祥，1997）。矿区内出露南泥湖组和煤窑沟组，二者之间为整合接触。
南泥湖组（Qbn）：分布于矿区中部，为透辉石-透闪石矿的主要控矿地层。区域上分3段：下段（Qbn1）为石英岩；中段（Qbn2）为二云片岩、炭质绢云片岩及钙质片岩，夹石英岩和大理岩；上段（Qbn3）为白云石大理岩及云母白云石大理岩等。矿区内仅有上段，受岩浆热液作用具矽卡岩化特征，依据岩石类型、矿物成分等特点，自下而上分9个岩性层：
第1层（Qbn3-1）：为条带状透闪石化大理岩，一般厚度为60～100 m，最厚达300 m。局部层间构造裂隙中有磁铁矿细脉充填。
第2层（Qbn3-2）：为中薄层状白云石大理岩，厚度为30～50 m。
第3层（Qbn3-3）：为中厚层状黑云母白云石大理岩，呈透镜状产出，厚度为30 m。
第4层（Qbn3-4）：为中厚层状白云石大理岩，为Ⅰ号矿体底板，厚度为100～200 m。
第5层（Qbn3-5）：为Ⅰ号矿体。由金云母透辉石透闪石矽卡岩、金云母透闪石透辉石矽卡岩及少量钾长石透辉石矽卡岩等组成，厚度为16～33 m。
第6层（Qbn3-6）：为透辉石大理岩，为Ⅰ、Ⅱ号矿体之间的夹层（石），厚度为10 m。
第7层（Qbn3-7）：为Ⅱ号矿体。由金云母透闪石矽卡岩、金云母透闪石透辉石矽卡岩及少量钾长石透辉石矽卡岩组成，厚度为7～23 m。
第8层（Qbn3-8）：由透闪石化金云母片岩、透闪石化黑云母片岩、二云石英片岩等组成。
第9层（Qbn3-9）：为矽卡岩化黑云石英片岩，局部夹透闪石化大理岩，沿走向延伸稳定，厚度为15～60 m。
煤窑沟组（Qbm）：分布于矿区南部。区域上分3段：下段（Qbm1）为变石英砂岩、片岩、大理岩互层；中段（Qbm2）为白云石大理岩；上段（Qbm3）为石英岩、云母片岩、白云石大理岩夹石煤层。矿区内仅有下段分布，并被早白垩世石英正长石斑岩侵入，仅西南部出露较为齐全。根据岩性、结构构造、矿物成分和变质变形特点，自下而上分为6个岩性层：
第1层（Qbm1-1）：为灰白色厚层状石英岩，厚度为25～60 m，可作为与南泥胡组的分界标志。
第2层（Qbm1-2）：为二云石英片岩，厚度为25 m；
第3层（Qbm1-3）：为薄–中厚层状石英岩，厚度为60～80 m；
第4层（Qbm1-4）：为矽卡岩化二云石英片岩，厚度大于80 m；
第5层（Qbm1-5）：为薄–厚层状石英岩，厚度为100～130 m；
第6层（Qbm1-6）：为矽卡岩化二云石英片岩，夹石英岩透镜体。厚度大于250 m。
矿区为一单斜构造层，地层走向北西西，倾向为210°±，倾角为60°～85°，局部近直立或倾向北北东。
F1逆断层属区域性花地坪–大块地逆断层的一部分，从矿区北部通过，为熊耳群与栾川群的分界线。该断层矿区内长度为2950 m，走向为105°～130°，倾向南西，倾角为75°～81°，局部近于直立。破碎带宽度为30～100 m，由一系列小断面组成。下盘为熊耳群，上盘为栾川群南泥湖组。距Ⅰ、Ⅱ号矿体约为200～500 m，对矿体无破坏作用。
矿区中南部有早白垩世竹园石英正长斑岩体（ξοπJ3），侵入于煤窑沟组和南泥湖组。岩体呈不规则的长椭圆状，北西西向长度为3000 m，南南西–北北东向宽度为200～650 m，面积为1.35 km2。岩性单一，为石英正长斑岩。呈褐红色–浅肉红色，具似斑状结构，基质具半自形晶花岗结构，块状构造。似斑晶为钾长石，粒径为1～5 mm。基质包括钾长石（70%～80%）、石英（10%～15%）、黑云母（4%～5%）和白云母（1%）。副矿物为磁铁矿、磷灰石、榍石、锆石等。化学成分：SiO2 含量为68.94%，Al2O3 含量为14.80%，TiO2 含量为0.82%，CaO 含量为0.41%，MgO含量为 0.87%，Fe2O3含量为 4.61%，FeO含量为 0.30%，K2O含量为 3.50%，Na2O 含量为4.15%，Mn含量为 0.09%，P2O5含量为 0.12%。里特慢指数（δ）为2.20（＜3.3），铝饱和指数A/CNK为1.84（＞1.1），表明该岩石属钙碱性强过铝质岩石，可能在加厚陆壳或伸展环境下形成（桑龙康等，2014）。
2. 矿床特征
2.1 矿体特征
透辉石、透闪石矿产于早白垩世竹园石英正长斑岩体与栾川群的外接触带（矽卡岩带）中，在南泥湖组白云石大理岩的层间破碎带中最为发育，顺层矿化特征明显。
透辉石–透闪石矿带：出露于矿区中部，呈北西西–南东东向展布，两端延出矿区。由南泥湖组上段Qbn3-5、Qbn3-6、Qbn3-73个岩性层组成。下部为金云母透辉石透闪石矽卡岩、金云母透闪石透辉石矽卡岩，中部为透辉石大理岩、上部为金云母透闪石矽卡岩和金云母透辉石透闪石矽卡岩等。矿带全长大于5750 m，厚度为60～90 m，产状与地层一致，圈出了Ⅰ、Ⅱ号2个矿体（图2）。
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图 2 南召县老庄矿区第6勘探线剖面图Figure 2. Profile of the 6th exploration line in Laozhuang mining area, Nanzhao County, Henan ProvinceⅠ号矿体：呈似层状产于南泥胡组上段第5岩性层中（Qbn3-5）。走向为290°～305°，倾向为200°～215°，倾角为63°～85°，局部近于直立或倾向北北东。出露长度大于3000 m，其中工程控制长度为2 000 m，厚度为18.27～29.76 m，平均厚度为23.41 m，厚度变化系数为18.48%。矿体具中间厚，两边薄的特点。矿体结构简单，局部（TC2–2）见夹石一层，厚度为2.25 m。矿石自然类型为金云母透辉石透闪石矽卡岩型、金云母透闪石透辉石矽卡岩型，底部有少量钾长石透辉石矽卡岩型。底板为白云石大理岩，顶板为透辉石大理岩。矿体平均品位：透闪石+透辉石（Tl+Di）为68.66%。
Ⅱ号矿体：呈似层状赋存于南泥胡组上段第7岩性层中（Qbn3-7），与Ⅰ号矿体产状一致。出露长度大于3000 m，控制长度为2 000 m，厚度为6.28～22.05 m，平均厚度为16.21 m，厚度变化系数为33.14%。矿体具中间薄、两端厚的变化特点。矿体结构简单，无夹层。矿石自然类型主要为金云母透闪石矽卡岩型、金云母透辉石透闪石矽卡岩型。矿体底板为透辉石大理岩，顶板为透闪石化金云母片岩、金云母片岩、二云母片岩等。矿体平均品位：透闪石+透辉石（Tl+Di）为67.66%。
2.2 矿石特征
2.2.1 矿石自然类型
根据矿石结构、构造、矿物成分等特征，矿石自然类型分为5种（表1）：金云母透辉石透闪石矽卡岩型、金云母透闪石透辉石矽卡岩型和金云母透闪石矽卡岩型为主要类型，钾长石透辉石矽卡岩型和透闪石矽卡岩型为次要类型。
表 1 南召县老庄矿区矿石特征表Table 1. Ore characteristics of Laozhuang mining area in Nanzhao County, Henan Province矿石类型 分布 颜色 结构构造 矿物成分 备注 金云母透辉石透闪石矽卡岩型 矿体底部 灰白–灰绿色 鳞片粒柱状变晶结构、
斑状变晶结构，
片状、条带状构造变斑晶：透辉石（2%～5%）、钾长石
（≤20%）、透闪石极少。基质：透闪石（30%～80%）、透辉石（0%～30%）、金云母（10%～20%）、钾长石（10%～
30%）、方解石（＜3%）、磁铁矿等微量主要类型 金云母透闪石透辉石矽卡岩型 矿体中部 灰白色 鳞片粒柱状变晶结构，
片状、条带状构造透辉石（30%～70%）、透闪石（10%～25%）、金云母（10%～25%）、
钾长石（10%～30%）、方解石（＜3%）、磁铁矿等微量主要类型 金云母透闪石矽卡岩型 矿体顶部 暗绿色 鳞片柱粒状变晶结构，
片状构造、块状构造透闪石（40%～80%）、金云母（15%～55%）、方解石（3%～20%）、
磁铁矿等微量主要类型 钾长石透辉石矽卡岩型 矿体顶部、底部 灰白–浅绿色 粒状变晶结构，
块状构造透辉石（30%～70%）、钾长石（6%～40%）、方解石（10%～30%）、
磁铁矿等微量次要类型 透闪石矽卡岩型 矿体顶部 浅绿色 粒柱状变晶结构，束状、
纤维状、放射状、片状构造透闪石（50%～85%）、钾长石（5%～40%）、透辉石（≤5%）、方解石（5%～25%），金云母、磁铁矿等微量 次要类型 透闪石（Tl）：无色–浅绿色，个别为暗绿色。单晶呈长柱状、针状，集合体为放射状、纤维状和束状。横切面呈菱形，两组解理夹角分别为124°与56°，斜消光，消光角为16°～19°，二轴晶负光性近90°，粒径为0.2～1 mm，个别达2～10 mm，形成变斑晶。可见透辉石包裹体。
透辉石（Di）：无色–灰白色。呈他形粒状，个别为半自形晶短柱状，横切面近四边形，两组解理夹角近90°，斜消光，消光角为40°。粒径为0.1～0.7 mm，个别达5～10 mm，形成变斑晶。
钾长石（Kp）：灰白色–浅肉红色。他形粒状。为微斜长石、条纹长石和正长石。微斜长石具格子双晶。粒径为0.2～0.5 mm，个别达2～5 mm。含有透辉石、透闪石包裹体。
金云母（Phl）：金黄色。呈鳞片状，片径为0.2～0.8 mm，个别达3～4 mm。部分褪色现象明显，具蛭石化。具多色性：Ng金黄色，Np无色。
方解石（Cal）：局部见1～5 mm宽的方解石细脉，穿插于矿石和透闪石、透辉石等矿物的裂隙中。方解石自形晶程度较高，半自形–自形晶。
石英（Qz）：偶尔可见。无色–灰白色。他形粒状，粒径为0.1～0.2 mm。
磁铁矿（Mt）: 偶尔可见。铁黑色。半自形晶粒状，粒径为0.05～0.1 mm，呈星点状分布，地表氧化为褐铁矿。
2.2.2 化学成分
矿石化学成分主要为SiO2、CaO、MgO和Al2O3，其次为TFeO（FeO+Fe2O3）和K2O，Na2O和CO2等少量至微量（表2）。SiO2 含量为46%～53%，平均为50.26%；CaO含量为 12%～17%，平均为14.23%；MgO 含量为10%～16%，平均为12.22%；Al2O3含量为 9.5%～11.5%，平均为10.53%。SiO2、CaO、MgO和Al2O3总和一般在87%±。TFeO 含量为4%～6%，平均为4.71%；K2O 含量为2.5%～4%，平均为3.01%；Na2O含量为 0.3%～0.7%，平均为0.47%；CO2含量为 0.5%～3%，平均为1.23%。SiO2赋存矿物为透闪石和透辉石，其次为钾长石和金云母；CaO赋存矿物为透闪石和透辉石，少量赋存于方解石中；MgO赋存矿物为透闪石和透辉石，少量赋存于金云母中。根据单矿物电子探针测试结果可知：FeO、MnO、TiO2和少量Al2O3以类质同象形式代替CaO、MgO赋存于透闪石、透辉石中，部分FeO在金云母中替代MgO、Na2O主要以类质同象形式代替K2O赋存于钾长石和金云母中（表3）。
表 2 南召县老庄区矿石化学成分、矿物成分表（%）Table 2. Chemical composition and mineral composition of ores in Laozhuang District, Nanzhao County化学成分 矿体编号 矿区 I II 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 SiO2 35.46 62.30 52.76 6.28 49.07 46.70 6.28 62.30 50.26 CaO 5.90 33.81 13.36 7.14 22.38 15.52 7.14 33.81 14.23 MgO 2.12 14.98 10.84 6.69 19.98 14.26 6.69 19.98 12.22 TFeO（FeO+Fe2O3） 3.05 8.44 4.81 3.15 6.46 4.57 3.15 8.44 4.71 Al2O3 6.29 13.58 10.75 6.46 12.64 10.21 6.46 13.58 10.53 K2O 0.30 8.10 3.31 0.00 4.85 2.56 0.00 8.10 3.01 Na2O 0.10 2.45 0.63 0.10 0.45 0.23 0.10 2.45 0.47 CO2 0.00 13.17 0.65 0.00 15.32 2.10 0.00 15.32 1.23 透闪石（Tl） 0.00 85.09 41.05 0.00 84.72 46.74 0.00 85.09 43.34 透辉石（Di） 0.00 70.96 27.61 0.00 74.13 20.92 0.00 74.13 24.91 透闪石+透辉石（Tl+Di） 39.42 85.30 68.66 43.48 84.72 67.66 39.42 85.30 68.25 钾长石（Kp） 2.67 31.40 12.54 0.00 17.75 5.58 0.00 31.40 9.73 金云母（Phl） 0.00 27.38 10.88 0.00 43.93 15.92 0.00 43.93 12.91 方解石（Cal） 0.00 29.90 1.48 0.00 34.78 4.75 0.00 34.78 2.80 表 3 南召县老庄矿区单矿物电子探针分析结果表Table 3. Single mineral EPMA analysis results of Laozhuang mining area in Nanzhao County矿物名称 化学成分（%） SiO2 TiO2 Al2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 ∑ 透闪石 55.215 0.055 3.51 5.65 0.195 19.50 13.26 0.345 0.11 0.015 97.855 透辉石 53.19 0.01 0.59 2.99 0.26 15.90 25.63 0.24 0.00 0.005 98.815 钾长石 63.60 0.00 18.88 0.12 0.01 0.02 0.13 0.55 16.39 0.01 99.71 金云母 41.05 0.69 17.09 8.17 0.26 19.24 0.17 0.12 9.39 0.00 96.18 矿石化学成分具有4个特点：①I、II号矿体化学成分相同，各组分含量没有明显差别。②除CO2含量变化较大外，SiO2、CaO、MgO、Al2O3、TFeO、K2O和Na2O含量较为稳定（图3）。CO2含量具有显著的跳跃性变化，高点分布在矿体的顶部和底部（厚度方向）。③II号矿体较I号矿体各项化学成分变化幅度较大，SiO2和CO2尤为明显。④化学成分变化与矿石自然类型密切相关，如透闪石矽卡岩型较金云母透辉石透闪石矽卡岩型和金云母透闪石透辉石矽卡岩型矿石MgO含量偏高，钾长石透辉石矽卡岩型较其他矿石K2O含量偏高等。
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图 3 南召县老庄矿区I号矿体沿走向化学成分含量变化图Figure 3. Chemical composition variation along strike of No.1 orebody in Laozhuang mining area, Nanzhao County2.2.3 矿物成分
矿石的矿物成分主要为透闪石和透辉石，其次为钾长石和金云母，方解石少量，石英微量。透闪石（Tl）含量一般为25%～55%，平均为43.34%；透辉石（Di）含量一般为15%～35%，平均为24.91%；钾长石（Kp）含量一般为5%～15%，平均为9.73%；金云母（Phl）含量一般为10 %～20%，平均为12.91%；方解石（Cal）含量一般为1%～5%，平均为2.80%。矿床平均品位：透闪石+透辉石（Tl+Di）为68.25%。
矿石的矿物成分具有4个特点：①不同矿石自然类型的矿物种类和含量存在明显差异。金云母透辉石透闪石矽卡岩型，主要矿物为透闪石，其次为透辉石，金云母、钾长石和方解石少量。金云母透闪石透辉石矽卡岩型，主要矿物为透辉石，其次为透闪石，金云母、钾长石和方解石少量。金云母透闪石矽卡岩型，主要矿物为透闪石，金云母和方解石少量。钾长石透辉石矽卡岩型矿石，主要矿物为透辉石，钾长石和方解石少量。透闪石矽卡岩型矿石，主要矿物为透闪石，其次为钾长石，透辉石和方解石少量。②不同矿体、不同矿石自然类型透闪石、透辉石含量变化区间均大，沿矿体走向具明显的跳跃性。但透闪石+透辉石总含量较高，且较为稳定。③透闪石与透辉石含量表现为较明显的负相关（图4），同时沿矿体厚度方向，从矿体底部到顶部，透闪石含量具有上升趋势，透辉石则具下降趋势。④钾长石、金云母和方解石含量均低，钾长石和金云母含量变化不大，方解石含量不稳定变化相对较大。
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图 4 南召县老庄矿区I号矿体沿走向矿物含量变化图Figure 4. Mineral composition variation along strike of No.1 orebody in Laozhuang mining area，Nanzhao County2.3 应用试验
采取透辉石–透闪石原矿样品，在洛玻集团晶鑫陶瓷厂进行了生产釉面砖应用实验。
试验配方为透辉石–透闪石（原矿）替代硅灰石配方。经多次试验，最佳坯体原料配方为：透辉石–透闪石（原矿）为26%，焦宝石（硬质高岭土）为26%，高岭土（软质）为13%，石英砂为15%，伊利石黏土为5%，地开石为15%，STPP为0.25%。细度：万孔筛余物为0.3%。
实验结论：①透辉石–透闪石（原矿）加入到釉面砖坯体中，可显著提高坯体强度，降低烧成温度，缩短烧成周期。②矿石疏松，易于加工，可降低原料加工成本。③从抗龟裂和耐急冷情况看，坯、釉结合好，热稳定性好，内在质量有保障。④矿石化学成分接近陶瓷的天然配方，K2O、Na2O含量适中，对降低烧成温度起到了积极作用，CaO、MgO对降低坯体烧成温度和膨胀系数、提高坯釉对温度的适应性、提高产品的热稳定性起到了积极作用。⑤TFeO含量较高，虽然起到了一定的助熔作用，但加深了坯体的颜色，对坯体白度有不利影响。⑥透辉石–透闪石（原矿）配方和硅灰石质配方一样可以实现低温快烧，且烧成温度更低（低30 ℃）、烧成时间更短（缩短5 min），可较大幅度的节省烧成成本和提高产量（姬清海等，1998）。
3. 矿床成因
3.1 控矿因素及成因分析
该矿床大地构造位置处于华北陆块南缘。矿床的形成受早白垩世石英正长斑岩体、南泥湖组中的白云石大理岩及层间破碎带等因素的多重控制（郭立宏等，2013），具明显的层控特征。
华北陆块南缘位于华北陆块和秦岭造山带之间，经历了多次构造–岩浆事件。其中早白垩世为造山后的伸展阶段，控制早白垩世的构造、岩浆和热液活动，构造线方向以北西西向为主，北西西向断裂总体以张性为主，岩浆活动以酸性为主。矿区受造山后伸展阶段的影响，早白垩世在栾川群南泥湖组和煤窑沟组中形成具张性特征的北西西向层间破碎带，并有石英正长斑岩侵入，为岩浆热液与南泥湖组中的白云石大理岩进行接触交代作用形成透辉石–透闪石矿创造了有利条件。层间破碎带是岩浆热液运移的主要通道和与白云石大理岩进行交代作用的主要场所，也是形成透辉石–透闪石矿的容矿场所。层间破碎带与地层产状一致，倾角较陡近于直立，有利于岩浆热液的运移。层间破碎带中的碎裂白云石大理岩有利于与岩浆热液交代作用（矽卡岩化作用）的进行。矿体与围岩无明显界线属渐变过渡，表明成矿作用以接触渗滤交代作用为主。层间破碎带中碎裂白云石大理岩（含30.4%的CaO、21.7%的MgO、47.9%的CO2，CaO/MgO值为1.4）与透辉石–透闪石矿体（含50.26%的SiO2、10.53%的Al2O3、14.23%的CaO、12.22%的MgO、4.71%的TFeO、3.01%的K2O、0.47%的Na2O、1.23%的CO2，CaO/MgO值为1.2）相比，化学成分发生的变化是SiO2、Al2O3、FeO、K2O和Na2O的明显加入，并有大量的CO2逸出。
以上分析得出3点结论：①成矿热液的主要化学成分为SiO2、Al2O3、FeO、K2O和Na2O，与石英正长斑岩化学成分相似，表明成矿热液来自早白垩世石英正长斑岩体。②成矿过程中有大量的CO2逸出，成矿作用是在开放系统中进行的，成矿压力不大。③成矿作用主要是岩浆热液与白云石大理岩的交代作用，交代作用以外矽卡岩带渗滤交代作用为主，内矽卡岩带交代作用不明显。换言之，成矿作用主要为来自岩浆热液SiO2与白云石大理岩发生化学反应形成透辉石和透闪石，岩浆热液中的SiO2、Al2O3和K2O相互反应形成钾长石和金云母。由于来自岩浆热液中的SiO2的量尚不能满足与白云石大理岩反应的完全需要，有剩余的Ca （CO3）形成方解石，矿石中少见石英及矿区中少见石英脉说明热液中SiO2量的不足。根据矿石中各矿物之间的包裹关系：透闪石包裹有透辉石，钾长石包裹透辉石和透闪石，在矿石和透闪石、透辉石、钾长石、金云母等矿物的裂隙中穿插有方解石细脉等，确定矿物形成先后顺序依次为：透辉石、透闪石、钾长石、金云母、方解石，与矽卡岩型矿床矿物的形成先后顺序一致。
3.2 成矿过程探讨
一般矽卡岩矿床成矿过程分为矽卡岩成矿期和多金属硫化物成矿期。本矿床仅发育矽卡岩成矿期，没有多金属硫化物成矿期。矽卡岩成矿期可分为早期矽卡岩阶段、晚矽卡岩阶段和氧化阶段，各成矿阶段的成矿作用与岩浆热液的化学成分密切相关。岩浆热液化学成分具由简单到复杂的演化特征，早期矽卡岩阶段热液成分为SiO2，晚矽卡岩阶段热液成分为SiO2和H2O，氧化阶段热液成分为SiO2、H2O、Al2O3、K2O和Na2O等。
早期矽卡岩阶段是在超高温条件下进行的。该阶段形成的岩浆热液成分主要为SiO2气溶胶。石英正长斑岩岩浆热液与南泥湖组中的白云石大理岩进行交代作用，形成透辉石，但交代作用极不彻底，尚剩余有一定量的白云石大理岩。形成透辉石反应如下：
$$ \begin{array}{l} {\rm{CaMg}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_2} + {\rm{Si}}{{\rm{O}}_2} \to {\rm{CaMg}}\left[ {{\rm{S}}{{\rm{i}}_2}{{\rm{O}}_6}} \right] + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow \\ \;\;\;\;\;\;(白云石) \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(透辉石) \end{array} $$ 晚矽卡岩阶段是在气化高温条件下进行的。热液温度低于早期矽卡岩阶段，岩浆热液成分仍然主要为SiO2气溶胶，并含有一定量的气化H2O。岩浆气化–高温热液与早期矽卡岩阶段形成的透辉石和剩余的白云石大理岩，进一步发生交代作用形成透闪石，但交代作用仍不彻底，仍剩余有白云石大理岩。形成透闪石反应如下：
$$ \begin{array}{l} {\rm{CaMg}}\left[ {{\rm{S}}{{\rm{i}}_2}{{\rm{O}}_6}} \right] + {\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }} + {{\rm{H}}^{2 + }} \to {\rm{C}}{{\rm{a}}_2}{\rm{M}}{{\rm{g}}_5}{\left[ {{\rm{S}}{{\rm{i}}_4}{{\rm{O}}_{11}}} \right]_2}{({\rm{OH}})_2} + {\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }}\\ \;\;\;\;\;(透辉石) \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;（透闪石） \end{array}$$ $$ \begin{array}{l} {\rm{CaMg}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_2} + {\rm{Si}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{C}}{{\rm{a}}_2}{\rm{M}}{{\rm{g}}_5}{\left[ {{\rm{S}}{{\rm{i}}_4}{{\rm{O}}_{11}}} \right]_2}{({\rm{OH}})_2} + {\rm{C}}{{\rm{O}}_2} \uparrow \\ \;\;\;(白云石)\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(透闪石) \end{array} $$ 氧化阶段是在高温热液条件下进行的。岩浆热液成分较早期和晚期矽卡岩阶段复杂，热液成分主要为SiO2、Al2O3、K2O和Na2O等。SiO2、Al2O3和K2O相互作用，并交代剩余的白云石，形成钾长石、金云母和方解石，其反应如下：
$$ \begin{array}{l} \mathrm{SiO}_2+\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3+\mathrm{K}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{K}\left[\mathrm{AlSi}_3 \mathrm{O}_8\right] \\ \qquad \qquad \qquad \qquad \quad \;\;\;\; (钾长石) \end{array}$$ $$\begin{array}{l} {\rm{Si}}{{\rm{O}}_2} + {\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3} + {{\rm{K}}_2}{\rm{O}} + {\rm{CaMg}}{\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)_2} \to \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(白云石)\\ {\rm{KM}}{{\rm{g}}_3}\left[ {{\rm{AlS}}{{\rm{i}}_3}{{\rm{O}}_{10}}} \right] + {\rm{Ca}}\left( {{\rm{C}}{{\rm{O}}_3}} \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\;(金云母) \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(方解石) \end{array}$$ 综上所述，该矿床属矽卡岩型透辉石–透闪石矿床，成矿时代为早白垩世。成矿热液为早白垩世岩浆热液，控矿地层为南泥湖组中的白云石大理岩。成矿方式为岩浆热液与白云石大理岩接触渗滤交代作用，成矿环境为开放的高温低压氧化环境。矿床形成于矽卡岩期，早期矽卡岩阶段形成透辉石，晚期矽卡岩阶段形成透闪石，氧化阶段形成钾长石、金云母和方解石（袁见齐等，1985；姚凤良等，2006）。
4. 结论与建议
（1）该矿床具规模大、埋藏浅、矿体形态和结构简单、矿石品位高和化学成分稳定等特点，透辉石–透闪石原矿代替硅灰石用于生产釉面砖，制品性能稳定，节能效果明显，具重要工业意义。
（2）该矿床属矽卡岩型矿床，成矿时代为早白垩世。矿床形成受早白垩世石英正长斑岩体、南泥湖组中的白云石大理岩及层间破碎带等因素的多重控制。成矿环境为开放高温低压氧化环境，成矿方式为接触渗滤交代作用。主成矿期为矽卡岩期，早期阶段形成透辉石，晚期阶段形成透闪石，氧化阶段形成钾长石、金云母和方解石。
（3）矿体的深部和北西西、南东东两段边界尚未控制，仍具有较大的找矿潜力。建议继续开展勘查工作，以期扩大矿床规模和早日开发。
（4）该矿床的矿石中TFeO含量较高，影响陶瓷制品的白度，建议用于生产一般日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、饰面砖等，不建议用于生产精细陶瓷和电瓷。矿石在用作铸石、冶金保护渣和有色金属的铸型用砂等方面进行应用实验，以期扩大应用范围。
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图 1 物理模型装置和负压计埋设位置
Figure 1. Buried location of physical model device and negative pressure gauge
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图 2 E5试验滑动破坏过程
a.初始状态；b.局部流土（第一次降雨130 min）；c.拉张裂隙（第一次降雨200 min）；d.局部滑动（第一次降雨213 min）；e.裂隙扩展（第一次降雨300 min）；f.滑动破坏（第一次降雨350 min）
Figure 2. Sliding failure process of E5 test
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图 3 E1试验滑动转流动破坏过程
a.初始状态；b.裂隙发育（第三次降雨110 min）；c.局部侵蚀（第四次降雨150 min）；d.渐进滑动（第五次降雨300 min）；e.强裂隙化区域（第五次降雨490 min）；f.流动破坏（第六次降雨300 min）
Figure 3. Failure process of sliding flow in E1 test
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图 4 E1模型剖面2土壤基质吸力随时间变化关系曲线
Figure 4. Relation curve of soil matric suction with time in E1 model section 2
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图 8 降雨期间滑动及流动破坏初始时间
Figure 8. Initial time of sliding and flow failure during rainfall
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图 9 E5、E4滑动转流动过程
a. E5初始滑动；b. E5滑体滑落坡脚；c. E4初始滑动；d .E4滑体堆积坡面
Figure 9. Sliding and transforming flow processes of E5 and E4
表 1 试验工况
Table 1 Test condition
试验
编号边坡
角度降雨
强度（mm·h）单次累计
降雨量（mm）初始
孔隙比E1 30° 6.19 61.9 0.965 E2 30° 5.04 80.71 0.983 E3 60° 6.19 55.7 0.965 E4 60° 5.04 80.71 0.983 E5 60° 17.89 148.5 0.965 E6 60° 16.12 145.1 0.983 
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表 2 马兰黄土的基本物理参数
Table 2 Basic physical parameters of Malan loess
液限（%） 塑限（%） 湿陷系数 初始质量含水率（%） 初始干密度（g/cm3） 33.5 20.3 0.058 15 1.44
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表 3 降雨方案
Table 3 Rainfall scheme
试验编号 降雨次数（次） 降雨持续时间（h） 总降雨量（mm） E1 9 10 557.1 E2 9 16 726.39 E3 9 9 501.3 E4 5 16 403.55 E5 2 8.3 297 E6 4 9 580.4
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表 4 模型试验破坏模式
Table 4 Failure mode of model test
试验编号 破坏模式 降雨强度（mm/h） E1 滑动转流动 6.19 E2 未发生明显破坏 5.04 E3 滑动 6.19 E4 滑动转流动 5.04 E5 滑动 17.89 E6 滑动转流动 16.12
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