3.2. Горные породы и их роль в развитии геологических процессов

Главным компонентом при оценке всех геологических процессов и явлений являются горные породы, так как именно в них происходят все эти процессы и с их особенностями, характеристиками связаны масштабы, типы, динамика, механизм, скорость развития геологических процессов.

Основными задачами изучения горных пород для оценки и прогнозирования геологических процессов должны быть следующие:

1. определение генезиса и возраста пород определяющих общие черты геологического строения, форму и размеры тел, их вещественный состав и изменчивость;

2. изучение истории геологического развития;

3. изучение строения разреза и условий залегания пород;

4. изучение текстуры, структуры, минерального и петрографического состава пород, их

состояния и физико-механических свойств;

5. разделение геологического разреза на геологические тела разных категорий.

Перечисленные характеристики являются условиями и факторами развития процессов и недооценка, недоизученность их не позволяет успешно решать все задачи инженерно-геологической оценки геологических процессов. Это, к сожалению, часто вызывает активизацию процессов, деформации сооружений, возникновение новых процессов, иногда гибель людей.

Возраст и генезис пород обусловливают степень литификации, состав, текстуру, структуру, и следовательно, физико-механические свойства.

Более древние породы, более плотные, прочные, чем породы того же типа, но более молодые. Одинаковые литологические типы пород, имеющие разный генезис, различаются многими характеристиками.

Например - пески. Эоловые пески хорошо отсортированы, однородные, мелкозернистые, окатанные, имеют хорошую водопроницаемость по всей территории залегания. Аллювиальные пески - разнозернистые, с пылеватыми и глинистыми фракциями, косослоистые, с неоднородным составом, по территории распространения, обладают худшей водопроницаемостью. В аллювиальных песках активнее, чем в эоловых песках развиваются процессы суффозии, плывуны, уплотнение.

В морских осадочных слоистых породах важное значение для оценки механических свойств пачки или толщи имеют тонкие прослои менее прочных разностей - глин, алевритов или гипса, их количество и распределение по разрезу, а также характер контактов между слоями. В континентальных четвертичных и плиоценовых отложениях косая и иная слоистость, тонкие и частые прослои глинистых и ожелезненных песков или линзы старичных глин среди мощной аллювиальной толщи, переслаивание ленточного типа, распределение и количество обломочных включений в ледниковые, пролювиальные и склоновые образования определяют сопротивление размыву, их механические и фильтрационные свойства.

Фациальная макро- и микроизменчивость морских и континентальных осадочных толщ, интрузивных и эффузивных пород, обусловливающая неравномерное распределение подземных вод, выщелачивание и выветривание, неоднородность и анизотропию физико-механических свойств толщ и как следствие разнохарактерность геологических процессов, является весьма важной инженерно-геологической особенностью.

Горные породы претерпевают различные преобразования под влиянием

18

постгенетических процессов (в первую очередь катагенеза и гипергенеза), что также необходимо учитывать, так как в результате этого изменяются их состав и свойства. Процессы катагенеза в значительной степени определяются тектоническим режимом территории, гипергенеза - климатическими условиями. Например, кембрийские гидрослюдистые глины широко развиты на севере и северо-западе Русской платформы [3]. В районе С-Петербурга эти глины в течение геологической истории дважды испытывали нагрузку: первую - в палеозое, продолжительную по времени, но меньшую по величине (6 - 7 МПа), вторую - в ледниковый период, большую по величине (8 - 9 МПа), но менее продолжительную. В течение же значительного геологического времени кембрийские глины были разгружены, происходили их разуплотнение и гидратация. В результате этого кембрийские глины выглядят малоизмененными породами, имеют тугопластичную и полутвердую консистенцию, значительную пористость (30%) и естественную влажность (14%). Эти же кембрийские глины в районе г. Вологды испытывали постоянное гравитационное уплотнение от палеозоя до настоящего времени, в результате чего их пористость снизилась до 15%, а естественная влажность до 5 %. Не меньшие, а может быть, даже большие изменения, претерпевают горные породы под влиянием процесса гипергенеза. Под воздействием этого процесса горные породы, имеющие один и тот же возраст и генезис, могут приобрести различные инженерно-геологические особенности и свойства, и, наоборот, породы разные по генезису и возрасту, будучи в одной климатической зоне, под влиянием процесса гипергенеза приобретают общие черты, имеющие большое значение для решения задач в области геодинамики.

Под влиянием процесса гипергенеза возникает кора выветривания, которая, по

Н.В.Коломенскому, сверху вниз делится на четыре зоны: тонкого дробления, зернистая (или мелкообломочная), глыбовая и монолитная. Породы каждой зоны имеют свои особенности, состав и свойства. Процесс гипергенеза, наряду с изменением химико-минерального состава пород, оказывает влияние и на их строение; в частности, нарушает монолитность грунтовых толщ и скальных массивов. Особенно сильно изменяются породы, имеющие прочные структурные связи - скальные грунты. Об этом дает представление схема, разработанная Г.С. Золотаревым [3], которая наиболее подходит для скальных грунтов (рис. 2).

Таким образом, постгенетические процессы сильно изменяют первоначальный облик пород. Под их воздействием меняются такие важнейшие инженерно­геологические особенности, как химико-минеральный состав и строение - факторы, определяющие свойства грунтов. Поэтому при генетическом подходе к изучению грунтов важно знать не только их генезис, но и постгенетические процессы. По существу, понять все инженерно-геологические особенности породы и ее свойства можно только в том случае, если будем знать геологическую историю территории, где находится эта порода с момента ее образования и до наших дней. В этом заключаются основные возможности генетического подхода в инженерной геологии. Поэтому тезис: свойства грунтов зависят от их генезиса - надо понимать широко, включая в понятие «генезис» не только образование породы, но и все постгенетические процессы, все, что порода «пережила» с момента своего образования. Понятно, что провести такой анализ тем сложнее, чем древнее возраст породы [3].

Важной характеристикой горных пород являются строение разреза и условия залегания пород, то есть характер чередования слоев, элементы залегания слоев, мощность пород одного возраста, генезиса, типа. Один тип строения разреза и условий залегания пород может быть благоприятным для развития одних геологических процессов и менее благоприятным для других (рис. 3).

Весьма благоприятные условия залегания пород, строение геологического разреза явились одним из факторов развития грандиозного оползня на реке Пьяве в Италии в октябре 1963 года вблизи плотины Вайонт высотой 265,5 м. Воды водохранилища подмыли берег,

19

замочили горные породы, залегающие в долине слоями с наклоном в сторону русла и огромная

масса породы сползла в реку. За 7 мин были снесены 5 небольших городов, погибло 3

тысячи человек [12].

Рис. 2. Схема расчленения коры выветривания (по Г. С. Золотареву).

Зоны выветривания и их характерные особенности:

1. - дисперсная - полного химического преобразования исходных пород; глины, суглинки и супеси в основании с редкой щебенкой, выщелоченные и ожелезненные, карбонатизированные и т. п. Возможно разделение на 2-3 горизонта;

2. - обломочная - преобладание физической дезинтеграции и частичное химическое разложение; по степени раздробленности и химического разложения количеству минеральных новообразований и физико-механическим свойствам подразделяются обычно на 4 горизонта, обозначаемых А, Б, В и Г;

3. - трещинная - раздробление массива и начало разложения пород по крупным трещинам и тектоническим зонам; появление на значительных глубинах. Возможно образование зон выветривания малой толщины вдоль основной трещины

20

Структура и текстура горной породы обусловливают ее прочность, сжимаемость, водопроницаемость, устойчивость к процессам выветривания. Зная характер структуры и текстуры породы можно косвенно судить о ее свойствах и сделать прогноз поведения породы при внешних воздействиях.

Состав пород является очень важной характеристикой, влияющей на развитие геологических процессов - их типы, механизм, скорость и активность развития, способы борьбы с процессами. Кроме того состав пород обусловливает характер других факторов

Рис. 3. Различные условия залегания пород одного состава:

а) благоприятные для развития оползней; б) неблагоприятные для оползней, благоприятные для

эрозионного подмыва, обвалов.

Минеральный состав пород является условием развития таких процессов как карст, набухание в глинистых грунтах. Особенности минерального состава являются и фактором, сдерживающим или активизирующим развитие многих процессов. В большей степени минеральный состав влияет на свойства и поведение песчано-глинистых пород. Например, кварцевый песок несжимаемый, стойкий по отношению к воде; глауконитовый песок - сжимаемый, пористый. Монтмориллонитовые глины набухают при взаимодействии с водой, сильно сжимаемые. Каолинитовые глины не набухают, обладают слабой водопроницаемостью. Наличие органического вещества в горной породе приводит к увеличению пластичности глинистых пород, снижению их водопроницаемости; в песчаной породе в таком случае увеличивается возможность развития плывунных процессов. В одном из рабочих поселков дома после одного года эксплуатации стали деформироваться, в них образовались трещины, одна часть здания приподнималась, другая опускалась в процессе уплотнения грунтов под нагрузкой. Выяснение причин деформаций показало, что в основании залегали монтмориллонитовые глины, которые в результате сброса дождевых вод с одной стороны здания замачивались, набухали и поднимали здание. Такое явление стало возможным из-за недооценки состава пород при изысканиях и проектировании здания [11].

Петрографический состав, особенно крупнообломочных и песчано-глинистых пород, является условием развития таких геологических процессов, как суффозия, плывуны, пучение, солифлюкция, курумы и другие. Изменчивость петрографического состава пород какой-то изучаемой территории обусловливает изменчивость физико­механических свойств (пористости, сжимаемости, пластичности, прочности и др.), что может влиять на дифференциацию активности, скорости, масштабов, характера развития на этой территории геологических процессов.

ИГУ.

б

21

Особенности физико-механических свойств как компонента ИГУ, являются, следовательно, фактором развития геологических процессов.

Состояние породы (мерзлое, талое, трещиноватое, выветрелое, естественное, напряженное) также является либо условием, либо факторами развития процессов. Процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием горных пород, изучает и характеризует наука «Мерзлотоведение».

Здесь остановимся на характеристике трещиноватости и естественного напряжения горных пород.

Трещиноватость изверженных, осадочных и метаморфических пород изучается с различных точек зрения в тектонике, литологии, рудной и нефтяной геологии, гидрогеологии и инженерной геологии. В инженерной геологии проблема изучения и оценки трещиноватости массива пород является одной из важных, так как от нее зависят их прочностные и деформационные свойства, размываемость, водо- и газопроницаемость. Трещиноватость существенно влияет на развитие эрозионных, абразионных, карстовых, оползневых и других процессов, в том числе выветривания, а также отражается на методах и эффективности укрепительных и противофильтрационных мероприятий. Задачей инженерно-геологического изучения трещиноватости пород является установление ее генезиса, развития и других показателей, количественная пространственная характеристика степени и изменчивости трещиноватости, оценка влияния отдельных ее особенностей и в целом на свойства массива пород и геологические процессы. Для инженерно-геологической оценки трещиноватости пород важны следующие показатели: генезис трещин, в котором отражены факторы и механизм их образования; возраст и последовательность формирования, унаследованность трещин разного генезиса; пространственное положение, ориентировка, протяженность; ширина, характер поверхностей стенок трещин, их заполнитель и режим обводнения; интенсивность (степень) микро- и макротрещиноватости породы и массива.

Для инженерно-геологической оценки трещин рекомендуется следующая классификация трещин по генезису (табл. 9).

22

Группы трещин	Генетические типы трещин	Характерные черты
I Контрационные (остывания или первичной отдельности)	в интрузивных породах	обычно тонкие и узкие трещины, протяженные, закономерно ориентированные в трех взаимно перпендикулярных направлениях
	в эффузивных породах	преобладают широкие трещины, образующие характерные столбчатые, матрацевидные отдельности
II Лито­ генетические	усадки в илах, такырных и аналогичных отложениях	возникают при высыхании осадков, узкие и широкие, вторично заполненные
	напластования и объемного уплотнения в литифициро- ванных глинистых породах	тонкие и узкие, образующиеся при литификации пород и внешнем давлении; видимые и обнаруживающиеся при снятии напряжений и выветривании
III Тектонические (эндогенные)	по механизму образова­ния при: сдвигах и сколах, сжатии (давлении), растяжении (разрыве), развальцевании и скручи­вании, проскальзывании и скручи­вании, проскальзывании по слоис­тости	разной ширины от микро- до средней, протяженные, прерывистые и кулисорасполо­женные, волнистые, образуют узлы трещин при наложении разных систем. Различная шероховатость стенок и выполнение трещин - перетертый обломочный, глинистый и милонитизированный материал, кальцит, кварц и др.
	по взаимоотношению с основными структурами: соскладчатые приразрывные оперяющие	для каждой генерации трещиннообразования характерны две основные системы и третья менее четко выраженная
IV Экзогенные, часто наложенные на другие типы трещин	нетектонического давления - от веса ледового покрова, при гидротации и т.д.	локальное распространение, без четкой ориентации, узкие и тонкие
	разуплотнения при разгрузке естественных напряжений в массиве пород, в том числе трещины бортового и дон-ного отпора	обычно широкие и наложены на тектонические и литогенетические проявляются при эрозионном расчленении, открытые и заполненные осыпным и другим щебнисто-глинистым материалом

23

Группы трещин	Генетические типы трещин	Характерные черты
IV Экзогенные, часто наложенные на другие типы трещин	выветривания	разного характера, ориентировки ширины и выполнения, существенно преобразующие исходные породы в различных горизонтах обломочной и трещиноватой зонах выветривания
	мерзлотные	закономерно и спорадически распространены, разнохарактерные и обусловлены: а) сжатием при замерзании пород, чередующимся с расширением при оттаивании и солнечной инсоляции; б) с буграми пучения, наледями и другими мерзлотно­геологическими явлениями, создающими локальные очаги давлений
	оползневые: детрузивные (выдавливания), разрыва и бортового сдвига, зоны скольжения	разной длины, ширины и расположения, приурочены к различным частям оползневого массива; отражают характер смещающихся пород, степень их обводнения и распределения напряжений при развитии и движении оползня
	сдвижения	возникают в прилегающей толще пород при обрушении кровли над карстовой полостью, в плане обычно концентрические, разной ширины
	просадочные в лессах и пепловых туфах	размер, протяженность, интенсивность различны и обусловлены режимом обводнения и мощностью толщи лессов и пеплов
	суффозионные	литогенетические и тектонические существен-но измененные по простиранию и в ширину процессами выщелачивания и размыва, с выносом и перераспределением заполнителя трещин
V Техногенные, образованы в результате строительной и иной деятельности человека	разгрузки и разуплот­нения : в откосах карьеров и котлованов, вокруг подзем-ных выработок, от взрывов	простирание и ширина обусловлены размерами и ориентировкой борта карьера и подземной выработки, а также первичным напряженным состоянием и строением массива пород;
	сдвижения - при обрушении кровли подземных выработок	распространение, характер и ширина различны, зависят от пород, глубины обрушения и др.
	разного генезиса, но искусственно измененные	вследствие цементации, силикатизации, глини­зации, обжига и других средств технической мелиорации происходит частичное или значительное заполнение первичных трещин и упрочнение массива пород

В некоторых осадочных и эффузивных породах помимо собственно трещиноватости существует пустотность, связанная у первых с условиями осадконакопления и литогенеза, а у вторых - остывания.

Для инженерно-геологической оценки трещиноватых пород такие показатели, как ширина, шероховатость (неровность) стенок трещин и их выполнение имеют большое значение; между ними и показателями прочности, деформируемости, водопроницаемости и других свойств устанавливаются корреляционные зависимости. В осадочных, интрузивных, эффузивных и метаморфических породах тектоническая, литогенетическая и иная трещиноватость весьма различна, и по опытным данным (Нейштадт и др., 1969) целесообразно следующее разделение трещин по ширине: микротрещины -

24

обнаруживаемые в шлифах при большом увеличении и создающие дефекты в структурной прочности породы; волосные - до 0,1 мм, сомкнутые, обычно с притертыми гладкими стенками, фиксируемые в шлифах и при разуплотнении пород вследствие разгрузки напряжений; тонкие - до 1 мм видимые на глаз, документируемые на образцах по отпечаткам, чаще закрытые, влияющие на механические свойства квазиоднородных элементов массива пород; узкие - 1-5 мм, средние - 5-20 мм, широкие - 20-100 мм, открытые или заполненные, существенно влияют на механические, фильтрационные и другие свойства пород, на их напряженное состояние, на развитие геологических процессов; документируются инструментальными способами на обнажениях, кернах и в стенках скважин и горных выработок; зоны трещин - шириной в несколько десятков сантиметров и более, образованные серией трещин одного генезиса и простирания, чаще тектонические.

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

1. Минеральные новообразования - кварц, кальцит и другие, принесенные как гидротермальными, так и инфильтрационными водами, чаще полностью выполняющие трещины в виде тонких и маломощных жил, которые оказывают «армирующий эффект» и часто 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, дресвяно­обломочные и тонкощебнистые глинистые массы, вторично сцементированные, уплотненные или разрыхленные, до примазок и пленок, глинистых и ожелезненных на стенках узких трещин. При наличии достаточного количества уплотненного глинистого материала крупные трещины и зоны сместителей разломов являются естественными противофильтра-ционными экранами, но одновременно могут быть суффозионно- неустойчивыми. Разного рода тектониты снижают прочность и увеличивают деформируемость массива пород, особенно в условиях переменного обводнения.

3. Продукты выветривания - дресвяно-щебнистые глинистые массы, окислы железа, гипсовые, карбонатные и другие образования в разной степени уплотнения, влажности и распространения весьма существенно влияют на механические свойства, развитие суффозии и иные процессы.

4. Накопления вмывания - глинистый и песчаный материал, гумус и натеки солей, принесенные инфильтрационными водами, частично или полностью могут кольматировать трещины, что отражается на прочности массива, создавая поверхности ослабления.

Для приближенной количественной характеристики трещинова-тости пород предложены несколько прямых и косвенных показателей, каждый из которых обладает той или иной условностью и определяется различными способами. В зависимости от характера пород и детальности исследований применяются следующие показатели: модуль

трещиноватости - количество трещин на 1 м разреза пород в штольне, по скважине и в обнажении; коэффициент трещинной пустотности (Нейштадт, Пирогов, 1969) -

отношение в процентах общей площади (или объема) трещин к площади изученной поверхности (объему) породы; в зависимости от величины коэффициента трещинной пустотности породы разделяются на: слаботрещиноватые < 2 % среднетрещиноватые Ктр = 2 - 5%, сильнотрещиноватые К_тр = 5 - 10%, весьма сильнотрещиноватые К_тр > 10%, коэффициент трещинной блочности - отношение объема (или площади) среднего элементарного блока породы к объему 1 м³ (или площади 1 м²). Условно принимается, что

25

Характеристика трещин	Угол внутреннего трения ф, градус	Сцепление С, МПа
Слабошероховатая, без заполнителя, высота	36	0
бугорков 3 мм, наклон граней 7°
Гладкая	31	0
То же, притертая, со следами скольжения	15	0
То же, с заполнителем, влажностью 23-29%	26-22	0
мощностью до 8-10 мм
Шероховатая, с супесчано-суглинистым	38-41	0,01-0,08
заполнителем разной мощности;
сдвиг на площади 1,2 и 5 м2 (данные	23-34	0,05-0,11
Д.Д. Сапегина)

В практике инженерно-геологических изысканий применяются различные методы для оценки свойств массива трещиноватых горных пород.

1. Изучение механических свойств пород на образцах малого размера и перенесение лабораторных показателей на массив по коррелятивным зависимостям. Например, между величинами на образцах и в натурных условиях: скоростей упругих волн Vj, или между динамическим модулем упругости E_d и модулем общей деформации Е_о.

Из каждой различно трещиноватой породы отбираются образцы (керны) относительно малого размера, на которых сейсмометодом определяются Vj, и E_d, а статическим испытанием Е_о. В скважине, в стенках обнажений или горных выработок (шурф, штольня) для тех же пород проводится ультра- и сейсмокаротаж и устанавливаются величины Vj, и E_d для слоя или пачки пород, залегающих в естественных условиях. Многочисленными экспериментами на образцах установлена связь между динамическим модулем упругости E_d и модулем деформации Е_о, то логично предполагать аналогичную зависимость этих характеристик для слоя, пачек и массива пород. Этот метод широко применяется, в том числе при опытах с большими штампами и при прессиометрических испытаниях.

26

2. Расчетные методы. Разными авторами установлены эмпирические зависимости между показателями прочности, деформируемости пород в массиве и некоторыми показателями свойств образца пород, характеристик трещин и других показателей.

3. Натурные методы оценки влияния трещин на механические и фильтрационные свойства массива пород в условиях естественного залегания. Для установления «масштабного фактора» при характеристике сопротивления сдвигу и модуля деформации трещиноватых пород проводят испытания со штампами разной площади или в скважинах разных диаметров и при разных напряжениях, что определяет различные объемы пород, виды и число трещин, вовлекаемых в эксперимент. При каждом опыте развитие сферы дополнительных напряжений и сжатия трещин пород под штампами контролируются по изменению во времени у_р, которая определяется методом просвечивания между двумя скважинами.

Влияние трещиноватости на фильтрационные характеристики массива пород и его анизотропию устанавливается опытами поинтер-вальных откачек и нагнетаний в одиночные и в кусты скважин с разными интервалами от 1 до 5 м и более.

Естественное напряженное состояние горной породы определяет ее прочность и деформируемость, водопроницаемость, влияет на развитие таких процессов, как обвалы, оползни, горно-геологические процессы. Горные породы, особенно на больших глубинах испытывают всестороннее сжатие, давление, формирующие определенные величины напряжения.

Выражается естественное напряжение величиной внутренней силы, действующей в массиве горных пород на единицу площади различного сечения массива.

Общее напряжение горной породы формируется следующими частными полями напряжений.

1. Гравитационное напряжение - создается весом породы на различных глубинах, о_гр = р*Н, где р - плотность породы, Н - глубина, на которой определяется напряжение.

2. Тектоническое напряжение - а_т. Эти напряжения самые динамичные, так как в земной коре происходят постоянно движения разного характера. а_т - имеют разную направленность, так как движения происходят в разном направлении. а_т - имеют разные величины. Превосходят а_гр - в 3-20 раз. Величина достигает сотни МПа.

3. Температурное (геотермальное) напряжение a_t - преобладает на больших глубинах.

4. Гидродинамическое напряжение a_f - возникает за счет фильтрации, напора подземных вод.

5. Локальное или кристаллизационное напряжение а_к - возникает за счет гидратации и кристаллизации, то есть связанное с литогенетическими процессами.

Все эти силы создают естественное напряжение горных пород, которое в массиве может достигать довольно значительных размеров (до сотен и более МПа).

Факторы, от которых зависят величины естественного напряжения, следующие:

1. Глубина погружения бассейна седиментации.

2. Литологический состав пород и их физико-механические свойства.

3. Тектонические структуры и трещиноватость - создают неоднородность напряжение

4. Рельеф - вблизи склонов напряжение больше, чем на равнине.

5. Процессы выветривания.

6. Обводненность пород.

7. Техногенные факторы - создание плотин, водохранилищ, взрывы, нагнетание воды в подземные слои, отвалы пород.

Величина естественного напряжения в массиве весьма изменчива и может быть

27