Тектонические структуры и трещиноватость пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тектонические структуры и трещиноватость пород

Тектонические структуры складчатые и разрывные разных порядков от крупных региональных до малых, размерами в несколько метров, древние и новейшие, их формирование (возраст, унаследованность, подвижность), строение, состояние, свойства пород в них и в прилегающих массивах, развитие, современная подвижность и инженерно-геологическая типизация являются объектами специализированного инженерно-геологического изучения на разных стадиях изысканий. Тектонические структуры и трещиноватость существенно влияют:

- на общую раздробленность массива пород, блочность, прочность, деформируемость, сопротивляемость выветриванию, водопроницаемость, размываемость;

- на распределение и режим подземных вод, развитие карста, оползней и суффозии;

-на распределение естественных напряжений, характер движения сейсмических волн;

- на формирование ослабленных зон и приуроченность к ним овражной и речной систем, обвально-оползневых процессов и др.;

- на фильтрационную и механическую анизотропность, возникновение обрушений и деформаций пород на открытых откосах и в подземных выемках;

- на разрабатываемость; горное давление устойчивость подпорных и др. инженерных сооружений.

Задачей инженерно-геологического изучения является генезис и количественная пространственная характеристика степени и изменчивости трещиноватости, оценка ее влияния на свойства пород и геологические процессы.

Методы изучения трещиноватости - съемочные и геофизические (сейсмоакустические, электрокаротаж, вертикальное электрическое зондирование), с установлением корреляции между ними; фотограмметрические методы с обработкой и подсчетом трещин на стереоавтографе.

Трещины в горных породах различны по генезису, морфологии и геометрии.

Системой трещин называют множество трещин, примерно параллельных друг другу. Множество трещин, совместно развитых в той или иной части массива, образует пространственную решетку трещиноватости, составленную несколькими системами трещин, реже хаотическую.

Геометрические классификации трещин позволяют расчленить множество различно ориентированных в пространстве систем трещин на характерные группы (по углу падения (вертикальные трещины с углами падения 72-90°, крутые -- 45-72°, пологие -- 6-45°, горизонтальные 0-6°) или по двум параметрам -- например, по величине углов пересечения трещин со слоистостью и с осью складки и т. п.).

Морфологическим типом трещин называется множество трещин сходного облика.

Генетическим типом трещин называется множество трещин, сформировавшихся под действием одних и тех же геологических причин. Различают литогенетические, тектонические и экзогенные типы трещин.

Литогенетические трещины подразделяются по условиям их образования на глубинные и поверхностные. К глубинным относятся контракционные трещины в интрузиях, диастромы (трещины напластования) и общие трещины в осадочных породах - трещины двух взаимно перпендикулярных и перпендикулярных слоистости систем, повсеместно развитых в литифицированных отложениях осадочных чехлов платформ; генезис их неясен.

Характерная особенность глубинных трещин - взаимная ортогональность их систем. Поверхностные трещины (остывания в эффузивах и усыхания в осадочных породах) чаще образуют полигональную пяти-шестиугольную отдельность. По механическому типу все эти трещины относятся к трещинам отрыва.

Тектонические трещины по приуроченности к складчатым структурам или разрывам делятся на соскладчатые и приразрывные, а по механическому типу -- на трещины отрыва и трещины скалывания. Трещины отрыва - с неровными, шероховатыми стенками и значительной шириной (зиянием); трещины скалывания часто сомкнуты и несут на стенках следы скольжения (борозды, штрихи, зеркала скольжения). К трещинам скалывания условно можно отнести группу трещин кливажа, с очень большой густотой (доли или первые миллиметры) и региональным развитием. Кливаж - способность породы раскалываться на тонкие пластинки, направление которых предопределяется ориентировкой пластинчатых минералов в породе.

Экзогенные трещины делятся на естественные и искусственные. Естественные - трещины выветривания, разгрузки (в частности, трещины «бортового отпора»), трещины, связанные с просадочными явлениями и оползнями. Искусственные -- трещины разгрузки вблизи карьеров и строительных котлованов и трещины взрывов.

Общая интенсивность узкой, тонкой и скрытой литогенетической, тектонической и др. трещиноватости влияет на: 1) механические и фильтрационные свойства и анизотропию толщ; 2) процессы разгрузки, выветривания и выщелачивания; 3) развитие осыпей, развалов, малых обвалов и оползней. Эту «малую трещиноватость» пород характеризуют посредством коэффициента объемной трещиноватости (Стр), который можно использовать как критерий геологического подобия при оценке свойств и анализе развития склоновых процессов.

Тектоническая трещиноватость отражает основные разрывные и складчатые деформации массива пород, его общую тектоническую раздробленность и зонально-блочное строение. Основные свойства пород существенно различны внутри тектонических разрывов и за их пределами. Инженерно-геологическое значение тектонических структур разных порядков различно.

Крупный тектонический надвиг, или разлом, шириной несколько сотен метров и более, следует рассматривать как особое геологическое тело со специфическими инженерно-геологическими характеристиками (т. е. как региональный инженерно-геологический массив). В горно-складчатых областях к зонам надвигов и сбросов приурочены подземные воды, сейсмичность.

Сместитель разрыва часто представлен уплотненным обломочно-глинистым материалом с поверхностями смещения, практически водонепроницаемый, с пониженным сопротивлением сдвигу и, является потенциальной зоной оползневых деформаций и естественным экраном для движения подземных вод. Подзоны приразломной малой складчатости и трещиноватости - являются путями движения подземных вод при разгрузке в эрозионную сеть или в перекрывающие разлом породы.

Возникновение вывалов, горных ударов и давления, водопритоков и других процессов при строительстве подземных сооружений обусловлено характером тектонических разрывов и трещиноватости массивов пород.

Современная подвижность тектонических разрывов может рассматриваться как сейсмотектоническая дислокация. Для многих горно-складчатых районов Средней Азии, Кавказа, Крыма, Карпат, Саян, Прибайкалья и других типично развитие в новейшее время, начиная с сармата, унаследованных или новых тектонических разрывов: разных масштабов надвигов, сбросов и др.

Для инженерно-геологической оценки трещиноватости пород важны: генезис трещин, факторы и механизм их образования; возраст и последовательность формирования, унаследованность трещин разного генезиса; пространственное положение, угол падения, ориентировка; длина, ширина, характер поверхностей стенок трещин, их заполнитель и режим обводнения; интенсивность (степень) микро- и макротрещиноватости породы и массива.

Картирование, классифицирование и систематизация трещин начинаются с определения их генезиса.

Пространственное положение трещин в массиве может быть выдержанным, прерывистым, кулисообразным, параллельным и секущим под разными углами. Это создает различные типы сетей трещин, и массив пород должен рассматриваться с позиций механики как неоднородная дискретная среда. В пространственном расположении тектонических трещин одной генерации отражается поле естественных напряжений, под воздействием которых они сформировались.

В некоторых осадочных (напр. карбонатных) и эффузивных породах помимо собственно трещиноватости существует пустотность, связанная у первых с условиями осадконакопления и литогенеза, а у вторых -- остывания, что отражается на показателях плотности, скоростей упругих волн и деформируемости.

Между показателями ширины, шероховатости (неровности) стенок трещин и их выполнения и показателями прочности, деформируемости, водопроницаемости и других свойств устанавливаются корреляционные зависимости.

Разделение трещин по ширине:

микротрещины -- обнаруживаемые в шлифах при большом увеличении и создающие дефекты в структурной прочности породы; волосные -- до 0,1 мм; тонкие -- до 1 мм; узкие--1-5 мм, средние -- 5-20 мм, широкие -- 20-100 мм, открытые или заполненные; документируются инструментально на обнажениях, кернах и в стенках скважин и выработок; зоны трещин - шириной от десятков сантиметров и более, образованные серией трещин одного генезиса и простирания, чаще тектонические.

Для выявления систем трещин строят круговые диаграммы на сетках Вальтера-Шмидта, Вульфа или Каврайского.

Для оценки густоты и ширины трещин производят измерения по каждой их системе.

Камеральная обработка состоит в вычислении средних и среднеквадратичных отклонений значений параметров трещиноватости по каждому типу и системе трещин. Вычисления проводятся для каждого обнажения в отдельности и выполняются по формулам (находится отношение суммарной площади трещин, выходящих на поверхность в пределах какого-либо участка обнажения, к площади всего участка).

Шероховатость и неровности поверхности пород в стенках трещин обусловлены осадконакоплением (волновая и иная рябь, течения); напряжениями при тектонических подвижках или остывании массивов пород; экзогенными процессами -- растворением и размывом, скоплением вторичных минералообразований (окислов железа, кальцита и др.). Наличие неровностей и выступов или их отсутствие на стенках трещин определяют механизм сдвига по поверхностям ослабления (трещинам), передачу напряжений и разрушение контактов. Поверхности трещин измеряются профилографами.

Состав, сложение и мощность заполнителя в трещинах разного генезиса и в зонах разломов зависят от вмещающих пород, характера и интенсивности тектонических процессов и влияют на прочностные, деформационные и фильтрационные свойства, изменение напряжений в массиве, на суффозионную устойчивость и др. Различают следующие виды заполнителей:

1- минеральные новообразования (кварц, кальцит и др.), принесенные гидротермальными и инфильтрационными водами, чаще полностью выполняющие трещины в виде тонких и маломощных жил, которые оказывают «армирующий эффект» и повышают прочность массива пород;

2- тектониты различного состава, сложения и мощности (от сотен метров в зонах региональных разломов, надвигов и сбросов, в которых встречаются глыбы, дресвяно-обломочные и тонкощебнистые глинистые массы, вторично сцементированные, уплотненные или разрыхленные, до примазок и пленок, глинистых и ожелезненных на стенках узких трещин). При наличии уплотненного глинистого материала крупные трещины и зоны сместителей разломов являются естественными противофильтрационными экранами, но одновременно могут быть суффозионно-неустойчивыми, снижают прочность и увеличивают деформируемость массива пород, особенно в условиях переменного обводнения;

3- продукты выветривания - дресвяно-щебнистые глинистые массы, окислы железа, гипсовые, карбонатные и др. образования разной степени уплотнения, влажности и распространения; влияют на механические свойства, развитие суффозии и др;

4- накопления вмывания -- глинистый и песчаный материал, гумус и натеки солей, принесенные инфильтрационными водами, частично или полностью могут кольматировать трещины, создавая поверхности ослабления. трещиноватость геологический картирование изыскание

Применяются следующие показатели степени трещиноватости пород:

- модуль трещиноватости -- количество трещин на 1 м разреза пород в штольне, по скважине и в обнажении;

- коэффициент трещинной пустотности -- отношение в процентах общей площади (или объема) трещин к площади изученной поверхности (объему) породы; по величине коэффициента трещинной пустотности породы разделяются на:

слаботрещиноватые Ктр<2%, среднетрещиноватые Ктр=2-5%, сильнотрещиноватые Ктр = 5-10%, весьма сильнотрещиноватые Ктр >10%,

- коэффициент трещинной блочности -- отношение объема (или площади) среднего элементарного блока породы к объему 1 м3 (или площади 1 м2). Условно принимается, что трещины, разделяющие элементарный блок, имеют ширину 1 мм.

Косвенными показателями степени трещиноватости массива являются:

- процент выхода керна при колонковом бурении, при постоянном режиме (скорость вращения коронки, давление на забой, интенсивность промывки, число рейсов на 1 м);

- скорость чистого бурения, размер столбиков выхода керна и т.п;

При изучении трещиноватости по кернам скважин необходимо фиксировать углы падения трещин, число трещин на 1 пог. м керна и характер их заполнения.

- величины удельных водо- и воздухопоглощений и удельных водопритоков в скважинах, получаемые при опытных поинтервальных нагнетаниях и откачках;

- динамический модуль упругости Ed и скорость продольных упругих волн vp, определяются сейсмоультразвуковым и др. каротажем в скважинах, штольнях и на обнажениях.

Для обобщенной оценки свойств массива пород применяются:

- изучение механических свойств пород на образцах малого размера и перенесение лабораторных показателей на массив по коррелятивным зависимостям;

- натурные методы оценки влияния трещин на механические (штампоопыты) и фильтрационные (водопроницаемость и анизотропность массива пород) свойства (откачки и нагнетания в одиночные и в кусты скважин) массива пород в условиях естественного залегания.

Изучение напряженно-деформированного состояния геологических тел. Нельзя оценивать физико-механические свойства и деформации пород, не зная напряжений, действующих в массиве. В большинстве случаев горизонтальные напряжения на глубинах 100--200 м и более превышают напряжения от веса вышележащих пород до 10--20 раз. Различные виды деформаций пород на глубине при создании в них подземных выемок определяются разгрузкой естественных напряжений, которые в верхней части земной коры, особенно вблизи поверхности, представляют систему частных полей напряжений, изменяющихся в пространстве и во времени.

Естественные напряжения формируются под воздействием в сочетании сил: гравитационных (вес пород), тектонических (включая космо- и сейсмогенные), газо- и гидродинамических, геотермических и кристаллизационных. Показатели отдельных полей напряжений в конкретных случаях различны; обычно преобладают гравитационные и тектонические напряжения.

Существует тесная взаимообусловленность между свойствами, напряжениями и деформацией пород. Показатели плотности, прочности и деформируемости пород, а также упругий режим подземных вод непосредственно зависят от их напряженного состояния; одновременно величины и распределение напряжений в массиве пород определяются физико-механическими свойствами пород.

На напряженно-деформированное состояние массивов пород влияют техногенные факторы, которые проявляются при создании в районах с активными неотектоническими и современными движениями высоких плотин и водохранилищ огромных объемов (Токтогульское на р. Нарыне -- 19 км3; Кариба -- 175 км3 в Замбии и др.); при производстве подземных взрывов, сопоставимых по энергии с сильными землетрясениями; динамических нагрузках и нагнетании вод на большие глубины под высокими давлениями; при устройстве больших подземных выемок под ГЭС и промышленные объекты; при создании карьеров глубиной в сотни метров и отвалов объемами до нескольких сотен миллионов кубических метров. В инженерной геологии, сейсмотектонике и горном деле закономерности формирования, величины, распределение и режим напряжений изучаются:

- для оценки инженерно-геологических условий строительства подземных сооружений и разработки месторождений полезных ископаемых, включая прогноз горного давления, ударов, вывалов, выпора, выбросов, прорывов вод и плывунов;

- для оценки устойчивости высоких природных склонов и бортов глубоких карьеров сложного геологического строения и прогноза на них оползней и обвалов;

- для обоснования прогноза сдвижения пород и параметров мульд опускания на земной поверхности при подземных разработках, длительных откачках вод и нефти;

- при исследовании изменения параметров сейсмических волн (природных и от крупных взрывов), проходящих через массивы пород при разном их напряженно-деформированном состоянии в целях сейсмического микрорай-онирования;

- для обоснования методики инженерно-геологического исследования прочностных и деформационных свойств пород в местах концентрации напряжений;

- при изучении механизма образования складчатых и разрывных структур и анализа современных движений;

- для прогноза изменения сейсмичности района и подвижек структурных блоков пород вследствие создания крупных водохранилищ;

- для обоснования выбора конструкций и расчетов устойчивости бетонных плотин и крепления подземных выемок.

Для полей тектонических напряжений характерна значительная изменчивость в пространстве и во времени, проявляемая в величинах, положении тензора напряжений и в ориентировке осей главных напряжений. Тектонические напряжения наиболее динамичны, т. к. современные движения земной коры и глубинные процессы происходят непрерывно, их влияние в приповерхностной зоне усиливается в периоды землетрясений.

В относительно больших геологических телах действуют как напряжения сжатия, так и растяжения. Вторые наблюдаются реже и преимущественно - вблизи подвижных разломов.

Многокомпонентность геологической среды и совместное действие нескольких полей напряжений приводит к сложному характеру распределения и к различным величинам напряжений в массивах пород. Сложная картина распределения гравитационных напряжений сильно увеличивается, если наложить тектонические или гидродинамические силы, а на больших глубинах -- температурные факторы. При перепаде температур в 15° и выше в прочных кристаллических и метаморфических породах возникает дополнительная трещиноватость.

Мощные взрывы, как и землетрясения, вызывают практически мгновенно значительные перераспределения напряжений.

Методы натурного изучения напряжений могут быть объединены в три группы. 1 -- геофизические: а) ультразвуковой (сейсмоакустический), б) радиометрический; 2 -- геомеханические: а) нагрузки, б) компенсации: 3 -- гидравлические -- «гидроразрыва». Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и пределы применения в зависимости от геологического строения, глубины испытаний и задач исследований.

Размещено на Allbest.ru