Выветривание горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выветривание горных пород

Процессы выветривания служат необходимыми «подготовителями» для экзогенного рельефообразования. Без формирования коры выветривания не могут возникнуть ни денудация, ни аккумуляция.

Под термином «выветривание горных пород» понимают процесс взаимодействия приповерхностной области геологической среды с атмосферой, биосферой, гидросферой и техносферой, в результате которого возникают физические, химические, физико-химические, биогенные и механические процессы, изменяющие состав, строение и свойства этих пород и формирующие толщу измененных образований -- кору выветривания.

Принято выделять природные условия, в которых возникает и развивается процесс выветривания, и факторы-агенты, под воздействием которых происходят перечисленные выше изменения. К таким условиям относят: а) геологическое, тектоническое и геоморфологическое строение территории -- результат геологического развития региона; б) климат; в) рельеф; г) растительный покров и д) гидрогеологические условия. К основным факторам-агентам : а) солнечное излучение (инсоляцию); б) атмосферные осадки; в) воздух (кислород и углекислый газ); г) почвенно-растительный покров; д) микроорганизмы и животный мир; е) разнообразную деятельность человека (строительные и горные работы, создающие искусственные обнажения, загрязнения и повышение агрессивности атмосферных осадков и воздуха, промышленных стоков и отходов и т. д.).

Продуктом процесса выветривания являются элювиальные образования, представляющие собой измененные в разной степени материнские породы различного генезиса, состава, состояния и свойств.

Строение и мощность измененных выветриванием пород (коры выветривания) зависят от условий и факторов выветривания, продолжительности этого процесса, а также от интенсивности процессов сноса и аккумуляции элювиальных отложений. Кора выветривания формируется двумя стадиями процесса выветривания -- разрушением и строением, происходящими попеременно. С точки зрения изменения инженерно-геологических условий территорий и возможной опасности их освоения можно утверждать, что разрушительный эффект преобладает. Основные результаты выветривания - это -- разрушение и разложение материнских пород, выщелачивание и вымывание части этих пород, изменение состава и минерализации поровых и трещинных вод, формирование новых минералов и пород. Подготовленный новый тип континентальных отложений (элювий) проходит через несколько стадий изменения и приобретает свои специфические черты. Среди них наиболее характерными являются (Ярг, 1991):

— различные формы геологических тел и различные условия их залегания, обусловленные типом коры выветривания (площадной или линейной);

— невыдержанное по мощности и простиранию зональное строение без четких границ между отдельными разновидностями пород;

— постепенное приобретение черт осадочных пород, формирующихся в приповерхностной части литосферы в результате ее взаимодействия с внешними сферами и космосом. При этом в отдельных горизонтах элювия сохраняются многие характерные черты материнских пород: минеральный и химический состав, структура, текстура, трещиноватость, пористость и др.;

— наличие в сравнительно маломощной толще элювиальных отложений большого разнообразия пород по составу, состоянию и свойствам, от трещиноватой прочной скалы до влажной пластичной водонепроницаемой глины.

В состав инженерно-геологических исследований кор выветривания входят инженерно-геологическая съемка, геофизические, буровые и горные работы, опробование, полевые и лабораторные исследования состава и физико-механических свойств пород, инструментальные геодезические наблюдения, опытно-фильтрационные работы и др. Детальность этих работ зависит от стадии освоения конкретной территории.

В качестве основных вопросов, возникающих у геологов, проектировщиков и строителей, можно отметить следующие (Ярг, 1991):

Установление закономерностей распространения кор выветривания, их типов (площадных, линейных), строения, мощности, возраста.

Разработка региональной схемы расчленения коры выветривания.

Выявление свойств выветренных пород в целом, с полнотой, достаточно обеспечивающей инженерно-геологическую оценку территории.

Оценка современных тенденций процесса выветривания горных пород, распространенных в пределах изучаемого района.

Выявление приуроченности оползней, обвалов, осов, курумов к зонам выветривания.

Установление возможности использования выветренных пород в качестве строительных материалов (при возведении дамб, плотин, насыпей).

В геологической науке разработаны разные подходы к изучению кор выветривания: по условиям образования и залегания, времени образования (возрасту), типу материнских пород, преобладающим процессам разложения пород и степени их дезинтеграции (в основном физической).

На монолитной материнской породе, в которой трещиноватость является результатом тектонической обстановки данного региона, залегает трещинная зона выветривания, глубина которой в горных областях достигает нескольких сотен метров. Изменения в этой зоне в основном связаны с физическим выветриванием Обычно эта зона считается благоприятным основанием или средой для инженерных сооружений, Подземные выработки в пределах этой зоны проходятся и эксплуатируются без крепления и водопонижения. Исключением могут быть участки, осложненные крупными тектоническими нарушениями, карстом или техногенной трещиноватостью, являющейся следствием горного давления.

Обычно эта зона считается благоприятным основанием или средой для инженерных сооружений, Подземные выработки в пределах этой зоны проходятся и эксплуатируются без крепления и водопонижения. Исключением могут быть участки, осложненные крупными тектоническими нарушениями, карстом или техногенной трещиноватостью, являющейся следствием горного давления.

Дисперсная зона, как правило, завершает разрез коры выветривания. Она представлена практически новым геологическим образованием, коренным образом отличающимся от материнской породы по составу, состоянию и свойствам. В этой зоне преобладают вторичные глинистые минералы, образовавшиеся в результате выветривания, здесь накапливаются гипс, карбонаты, окислы железа. Обычно в пределах дисперсной зоны выделяют две подзоны: верхнюю глинистую, весьма однородную по физико-механическим свойствам и практически водонепроницаемую, и нижнюю песча-но-глинистую с включениями щебня, менее однородную и слабо водопроницаемую.

Одной из важнейших задач, решаемых при оценке инженерно-геологических условий осваиваемых территорий, на которых распространены выветрелые породы, является определение глубины заложения разных сооружений, как подземных, так и наземных. Решение этой задачи требует изучения состояния выветрелых пород и изменения мощностей отдельных зон и коры выветривания в целом. При строительстве наземных сооружений (зданий, плотин, дорожных трасс и т. п.) определяется мощность пород, подлежащих съему, т. е, определяется объем пород для экскавации, что влияет на экономику строительства. Для подземных сооружений определяется нижняя граница коры выветривания, для того чтобы их заложение происходило в монолитной толще и таким образом исключало нарушение устойчивости пород и дорогостоящее крепление в период строительства и эксплуатации.

Оценка степени выветрелости пород и расчленения коры выветривания может быть выполнена на качественном и количественном уровнях. Роль качественных показателей могут играть различные внешние признаки пород: трещиноватость, раздробленность, изменение цвета в связи с появлением окислов железа, изменение текстуры и плотности (пустотности), присутствие новых образований (гипса, карбонатов, окислов железа) и др. Особое значение имеет раздробленность пород, которая визуально хорошо видна для большинства горных пород. Среди количественных показателей, относящихся к категории а) и определяемых в лабораторных условиях, используют: плотность, влажность, скорость упругих волн, гранулометрический состав, состав новых минеральных образований, трещиноватость, прочность, деформируемость, водопроницаемость, водоустойчивость и др. Изучение трещиноватости для этой цели ведется по трем характерным направлениям: 1)по элементам залегания трещин; 2) по степени (интенсивности) трещиноватости; 3) по заполнителю трещин и морфологии их стенок.

1. Положение трещин в пространстве определяется тремя элементами: азимутом простирания, азимутом падения (отличающимся на 90°) и углом падения.

2. Показатели степени трещиноватости определяются при более детальном изучении массива горных пород: а. Коэффициент трещинной пустотности К_ТП (в %);

б. Коэффициент удельной трещиноватости; в. Показатель качества керна колонкового бурения скважин l_K = n_T/L -- число трещин п_т на интервале бурения длиной L.

3. Морфология трещин и их заполнитель имеют большое значение потому, что эти особенности трещиноватости определяют в достаточной мере прочность, деформируемость и проницаемость массива выветрелых пород. Основные изменения состояния и свойств горных пород заключаются в их разуплотнении, набухании, расслоении, избыточном увлажнении, образовании новых и расширении старых трещин дезинтеграции, растворении и выщелачивании. Выветриванию подвергаются все генетические типы горных пород в условиях естественного залегания при строительстве гидротехнических, горных и транспортных сооружений и в нарушенном (раздробленном) состоянии в насыпях различного назначения, отвалах, терриконах.

«Техногенное выветривание» - комплекс процессов, развивающихся на искусственных обнажениях горных пород под воздействием природных и техногенных агентов выветривания, в результате которых происходят изменения состава, состояния и свойств горных пород и формируется современный эпювий. Отличительными чертами техногенного выветривания являются молодость и незаконченность процесса, маломощная, усеченная как сверху, так и снизу кора выветривания, небольшие масштабы обнажений, незакономерное (азональное) распространение, преобладание физического выветривания (за исключением районов химического и биологического загрязнения)

Основные изменения состояния и свойств горных пород заключаются в их разуплотнении, набухании, расслоении, избыточном увлажнении, образовании новых и расширении старых трещин дезинтеграции, растворении и выщелачивании. Выветриванию подвергаются все генетические типы горных пород в условиях естественного залегания при строительстве гидротехнических, горных и транспортных сооружений и в нарушенном (раздробленном) состоянии в насыпях различного назначения, отвалах, терриконах. В итоге строительство (проходка) выемки приводит к образованию искусственных обнажений и к уменьшению в той или иной степени вертикального давления на окружающие породы. В связи с этим можно говорить о первом виде изменений состояния горных пород за счет разуплотнения, зависящего от природы их структурных связей. В глинистых породах и в породах на глинистом цементе это изменение обусловлено набуханием при дополнительном увлажнении и определяется закономерностями этого процесса. В скальных и полускальных породах разуплотнение происходит за счет упругого отпора и приводит к расширению существующих трещин.

В естественных науках сформировалось четыре основных направления изучения процессов выветривания: геологическое; минерало-геохимическое, связанное с образованием гипергенных месторождений полезных ископаемых; почвенное и инженерно-геологическое, основоположник которого - ак. Ф.П. Саваренский. Изложенный ниже материал, в основном, отражает научный подход Г.С.Золотарева.

Среди экзогенных геологических процессов: разуплотнения из-за разгрузки напряжений, выветривания, выщелачивания и механической суффозии, разрушающих массивы пород, процессы выветривания наиболее важны для решения инженерно-геологических проблем.

При расчленении массива пород природными процессами -- эрозионными, абразионными, карстовыми и др., при создании любых значительного размера выемок, полостей создаются условия для разгрузки естественных напряжений, под которыми находились породы, и их разуплотнению, не всегда макроскопически наблюдаемому и фиксируемому по сейсмоакустическим показателям (v_p). Как следствие, в зависимости от строения массива, характера и ориентировки разломов и трещин, от степени естественной напряженности и др. возникают микро- или более крупные деформации, образуются новые и раскрываются существующие трещины; возможны видимые деформации в скальных породах -- выбросы («горные удары»), а в пластичных -- выпор.

Разгрузка напряжений, микро- и малые деформации пород и обусловленное ими разуплотнение -- это начало разрушения массива, за которым следуют и накладываются разнообразные процессы выветривания. Они существенно и неодинаково в разных литологических комплексах и климатических областях воздействуют на породы, изменяя их сложение, состояние, фильтрационные свойства, снижая прочность, увеличивая размываемость и деформируемость.

Развитие современных геологических процессов -- эрозии, абразии, оползней, обвалов, селей, карста и других, в значительной мере обусловлено характером и интенсивностью процессов выветривания. Возведение сооружений, дорожных и иных врезок, котлованов, порталов тоннелей, карьеров и других чаще идет на поверхности и в породах различно выветрелых и разуплотненных. Методы и эффективность технической мелиорации пород также обусловлены характером их выветрелости. Скорость процессов разуплотнения и выветривания влияет на временную и длительную устойчивость склонов, откосов, выемок и бортов карьеров.

Процессы разгрузки и выветривания взаимодействуют и происходят во всех комплексах пород, но глубина их проникновения в массив, характер и степень его изменения различны.

В инженерной геологии под процессами выветривания понимают совокупность физических, физико-химических и биохимических процессов, изменяющих состав, состояние и свойства горных пород в верхней части земной коры под влиянием колебаний температуры, подземных вод, содержащих кислород, углекислый и другие газы, почвенной кислоты, деятельности организмов и техногенных факторов.

В результате формируется новый генетический тип континентальных образований -- элювий разного возраста, фаций и условий залегания. Иногда, при своеобразных климатических условиях и геохимических процессах, происходит некоторое упрочнение пород в верхней части зоны выветривания за счет окислов железа, вторичной кальцитизации, окремнения и огипсования: образуются «корки» небольшой мощности, которые являются особым инженерно-геологическим горизонтом.

Принято выделять природные условия, в которых возникает и развивается процесс выветривания, и факторы-агенты, под воздействием которых происходят перечисленные выше изменения. К таким условиям относят: а) геологическое, тектоническое и геоморфологическое строение территории -- результат геологического развития региона; б) климат; в) рельеф; г) растительный покров и д) гидрогеологические условия. К основным факторам-агентам : а) солнечное излучение (инсоляцию); б) атмосферные осадки; в) воздух (кислород и углекислый газ); г) почвенно-растительный покров; д) микроорганизмы и животный мир; е) разнообразную деятельность человека (строительные и горные работы, создающие искусственные обнажения, загрязнения и повышение агрессивности атмосферных осадков и воздуха, промышленных стоков и отходов и т. д.).

На всех стадиях инженерно-геологических исследований и для разных видов строительства изучаются процессы разуплотнения и выветривания пород и элювиальные образования. Детальность и методы изучения (картирование, разведочные, экспериментальные, стационарные и др.) в конкретных комплексах пород и для поставленных задач различны. Основными вопросами являются:

- установление строения и закономерностей распространения зон

и горизонтов выветривания;

- обоснование возраста элювия и характеристика скоростей выветривания в сопоставлении с интенсивностью сноса в разных породах и условиях, оценка изменения свойств и состояния пород во времени под их влиянием;

- установление внешних признаков и классификационных показателей состояния и свойств пород разной степени выветрелости, а также корреляционных связей с геофизическими характеристиками, в первую очередь, со скоростью упругих волн (v_p);

- разработка региональной схемы расчленения коры выветривания на зоны и горизонты с характеристикой (классификацией) физико-механических и фильтрационных свойств пород;

- выявление приуроченности склоновых гравитационных процессов к зонам выветривания разного возраста, строения и мощности;

- оценка сопротивления пород разной выветрелости эрозии и абразии, развитию карста, осыпанию, оплыванию и устойчивости склонов и откосов;

- оценка деформационных свойств пород разной степени выветрелости для определения глубины их съема в основании сооружений или для выбора мероприятий по укреплению массива;

- установление возможности использования различно выветрелых пород как строительных материалов для возведения грунтовых сооружений.

При инженерно-геологических оценках степени и скорости выветривания пород важно установить основные факторы и закономерности изменения литсостава, структурных связей, текстуры и изменчивости свойств элювия в различных горизонтах: плотности, прочности, деформируемости, размываемости, водопроницаемости и др.

Изучение и оценка процессов разгрузки и выветривания должны начинаться с инженерно-геологического картирования, завершаясь на полевых стационарах и экспериментами в лабораторных условиях.

Основы теории процессов выветривания изложены Б.Б.Полыновым (1934).

По возрасту выделяют палеозойские (давние), мезозойские, палеогеновые, неогеновые, четвертичные и голоценовые коры выветривания.

Предложено несколько инженерно-геологических схем расчленения коры выветривания (Г.С.Золотарев, М.В.Коломенский, Е.М.Сергеев и др.), которые могут быть сведены к такой принципиальной:

1 - верхняя (дисперсная); П - средняя (обломочная) и Ш - нижняя (трещинная), т.наз. линейная. Каждая из них, в зависимости от характера выветривания, климата, условий залегания и задач, может подразделяться на горизонты.

Дисперсная зона выветривания характеризуется практически полным изменением минерального состава, текстуры и свойств исходных пород, в зависимости от которых и от климатических факторов преобладают различные вторичные минералы, выносятся или накапливаются гипс, карбонаты, окислы железа и др. По сложению, механическим свойствам, гидрогеологическим характеристикам глинистые отложения дисперсной зоны являются относительно однородными и обычно целесообразно их подразделение на два инженерно- геологических горизонта в зависимости от наличия мелкой дресвы, плотности и увлажнения. Глинистые породы этой зоны легко размываются и оползают, в связи с чем чаще сохраняются на водораздельных пространствах.

Обломочная зона, для которой характерны процессы физической дезинтеграции и частичное химическое разложение пород, имеет сложное строение и значительные изменения по разрезу прочности и деформируемости. Ее можно подразделить на четыре горизонта по степени выветрелости, размеру дресвы, количеству глинистой массы, ожелезнению, загипсованию, текстуре, плотности, цвету и т.п. В породах зоны интенсивно развиваются процессы эрозии, абразии, осыпания, оползания. Для разных ее горизонтов необходимо применять различные методы технической мелиорации, противофильтрационные мероприятия и др.

Трещинная зона выветривания разнообразна по характеру, распространению в массиве и другим особенностям, зависящим от исходных пород, интенсивности и размеров тектонических трещин и разломов, эрозионной расчлененности, разгрузки естественных напряжений, состава и характера движения подземных вод. Выветривание в зонах тектонических разрывов протекает на значительно больших глубинах.

Строение и залегание кор выветривания различно на разных геоморфологических элементах - склонах, террасах, водораздельных поверхностях и др. при наличии или отсутствии покровных делювиальных, аллювиальных и иных отложений.

Показателями степени выветрелости являются:

- изменение плотности породы, оцениваемое по величинам объемной массы ? и скорости упругих волн v_p ;

- изменение гран. и минсостава породы, ее поглощенного комплекса (для глин);

- количество минеральных новообразований и величина выщелоченности породы;

- изменение прочности, деформируемости, водопроницаемости и размываемости по косвенным натурным признакам и результатам опытов.

По классификационным показателям ?, v_p, w, R_c, размоканию и др. можно выполнить первое расчленение коры выветривания на зоны и горизонты, уточняемое затем по количественным характеристикам плотности, состава, механических и др. свойств.

Показатели выветрелости пород по разным авторам

1. По внешним признакам и показателям некоторых свойств, степень выветрелости характеризуется разделением выветрелых пород: Г.С. Золотаревым на четыре категории (А, Б, В и Г), соответствующие разным горизонтам выветривания; М.В.Коломенским - на четыре группы, соответствующие зонам выветривания: „тонкого дробления”, мелкообломочной (зернистой), глыбовой и монолитной.

1. Выветрелость изверженных и метаморфических пород характеризуется показателем А.Хемрола (1961):

,

где Р₁ - масса образца породы, высушенной при t = 105⁰С; Р₂ - масса того же образца, но водонасыщенного в течение 1,5 - 2 часов.

2. Выветрелость пород по В.Б.Швецу (1970) характеризуется коэффициентом

,

где K_t - отношение массы частиц грунта размером < 2 мм к массе частиц > 2мм после испытания на крошимость в специальном барабане; K₀ - то же, в естественном состоянии (до испытания в барабане). Породы считаются сильно выветрелыми, если 0,75 > K_B < 1,0; слабо выветрелыми, если 0,5< K< 0,75; прочные, если K_B < 0,5.

3. Степень выветрелости осадочных и магматических пород по Г.С.Золотареву (1969) оценивается коэффициентом

,

где F - характерные показатели элювия; например, объемный вес ; пористость , сопротивление одноосному сжатию R, динамический модуль упругости Е_d , сцепление с, минеральный состав и др. Индексы „н”, „0”, „А” относятся соответственно к невыветрелым, оцениваемым и предельно выветрелым (горизонт А) породам.

4. Показатель интенсивности выветривания по Л.О.Яргу (1974) -отношение приращения величины какого-либо показателя к приращению мощности зоны выветрелых пород:

,

где - среднее значение какого-либо і-го показателя свойств пород для соответствующей зоны выветривания; h - мощность зоны; показатель K_R изменяется от 0 до .

5. Показатель стойкости (выветриваемости) пород по П.Н.Панюкову (1962):

,

где R₁ - прочность породы через год после ее обнажения в откосе; R_п -

начальная прочность пород.

Показатели степени выветрелости по А.Хемролу i, по В.Б.Швецу K_в, по П.Н.Панюкову n и аналогичные могут быть использованы для сходных литологических типов пород, т. к. сравнение дается по отношению к характристикам для невыветрелого состояния, величины которых (напр. ?, v_p, R_c и т.д.) у разных пород сильно отличаются.

У показателя степени выветрелости В_с (Г.С.Золотарев, 4) в качестве F можно брать любую характеристику породы, что дает возможность сравнивать степень выветрелости по частным показателям и устанавливать наиболее достоверное значение. С показателями степени выветрелости возможно коррелировать показатели физико-механических свойств и состояния пород, а также его изменения во времени. Обобщение данных о В_с по разным характеристикам состава и свойств позволяет выделить четыре категории степени выветрелости:

сильновыветрелые (0,9< В_с < 1); выветрелые (0,7< В_с< 0,9);

средневыветрелые (0,3<В_с<0,7); слабовыветрелые (0<В_с <0,3).

Показатели скорости выветривания К_СВ пород хорошо отражают обстановку процесса выветривания. Например: на обнаженной или задернованной поверхности; зависят от крутизны, наличия защитного слоя, смыва или осыпания выветрелого материала и т.п. Поэтому показатель скорости выветривания К_СВ нестационарно изменчив, различен по величине для одних и тех же пород в зависимости от обстановки и времени. Целесообразнее оценивать скорость процесса по приращению мощности верхнего горизонта выветривания или другого типичного показателя за год или за иное время.

Выделяют три стадии скорости развития процессов выветривания: интенсивную, замедленную и затухающую.

Первая охватывает интервал времени от 0 до t_И, в течение которого формируется половина общей мощности (50%) коры выветривания полного профиля в данных породах и условиях.

На стадии замедленного выветривания процессы рассматриваются как равномерно затухающие и описываются эмпирической формулой m - a, где m - мощность зоны выветривания,м; t - время, в течение которого происходит процесс, годы; а - коэффициент, численно равный мощности (m) соответствующей зоны выветривания, образовавшейся за год.

За окончание стадии замедленного выветривания принимается время t_з, когда сформируется не менее 80% от мощности соответствующей зоны, определяемое по формуле t_з= m² / а².

Процессы выветривания чувствительны к изменению обстановки, появлению даже тонкого покрывающего слоя; изменению температуры, водного режима и других факторов. Как правило, они отличаются нестационарным режимом протекания.

Наиболее достоверными методами определения скорости выветривания пород нужно считать натурные наблюдения на опытных участках и откосах котлованов, дорожных выемок и др. Результаты таких кратковременных (несколько лет) наблюдений дополняются данными о мощности и строении зон выветривания в откосах дорожных выемок, существующих несколько десятков лет, под голоценовым делювием, аллювием и пролювием. Составляется график приращения мощностей дисперсной, а чаще верхнего горизонта обломочной, зон выветривания во времени. Практическое значение таких данных важно для оценки временной устойчивости бортов карьеров, откосов котлованов и выемок, интенсивности осыпей, эрозии, абразии и переработки берегов водохранилищ.

Инженерная защита направлена пока главным образом на борьбу с последствиями выветривания или на их предупреждение.

Следуя рекомендациям Н. В. Коломенского (1964), можно выделить следующие виды защитных мероприятий от выветривания:

Ограничение доступа к горным породам для главных агентов выветривания: отвод атмосферных, поверхностных и подземных вод, покрытие обнажений, изолирующее их от внешних воздействий.

Повышение устойчивости горных пород тампонажем трещин и карстовых пустот, укреплением методами технической мелиорации и т. п.

Ограничение масштабов формирования техногенных обнажений с обязательной рекультивацией осваиваемых территорий.

Управление процессом перемещения современного элювия на склонах и откосах.

Организация геодинамических мониторингов разного уровня на территориях интенсивного выветривания на искусственных обнажениях.

Размещено на Allbest.ru