Влияние тектонических процессов на формирование инженерно-геологических свойств горных пород

В работах крупнейших грунтоведов и инженеров–геологов: М.М. Филатова, Ф.П. Саваренского, И.В. Попова, В.А. Приклонского, В.Д. Ломтадзе, Е.М. Сергеева и других ученых формирование инженерно-геологических свойств горных пород всегда рассматривалось в тесной связи с генезисом и историей существования горной породы, с теми процессами, влияние которых она испытала. Сейчас уже доказано, что физико-механические свойства пород определяются особенностями геологического строения и геологической историей их жизни.

В процессе своего формирования, как известно, порода испытывает несколько стадий: стадию раннего диагенеза, стадию эпигенетических преобразований, вызванных гравитационным уплотнением пород, продолжительностью этого уплотнения (геологическое время) и напряжениями, возникающими при складкообразовании (стресс).

Л.Б. Рухин, как и многие другие исследователи, процесс преобразования осадочных отложений подразделяет на три стадии: сингенез, диагенез и эпигенез.


 

Погружение пород Сингенез ↓   Выветривание (гипергенез)
Диагенез   Регрессионный эпигенез (при поднятиях земной коры понижается температура)
Прогрессивный эпигенез ↓   (вызван погружением породы, формируются минералы, устойчивые при возрастающих давлении и температуры)
Метаморфизм    

 

Сингенез процесс, происходящий при осаждении осадков в самой верхней его части, когда осадок представляет собой коллоидную студенистую массу, содержащую больше воды чем минеральных веществ. Физико-химическая обстановка почти одинакова со средой отложения осадка. Мощность слоя сингенетических преобразований 10–15 см.

Диагенез когда осадок изолирован от среды отложения более молодыми слоями, тяжесть которых обусловливает несколько повышенное давление. В осадке циркулирует иловые воды, химический состав которых уже не одинаков с составом вод бассейна. В процессе диагенеза изменяется минералогический состав (особенно интенсивно в стадию раннего диагенеза), отжимается вода, происходит уплотнение осадка, в результате – резкое снижение в них общей пористости.

В.Д. Ломтадзе экспериментально установил, что при погружении осадка до глубины 200–300 м. происходит его свободное уплотнение, выделяется свободная вода. С увеличением глубины до 2700–3000 м. начинается процесс затрудненного уплотнения (отжимается рыхлосвязанная вода). На еще большой глубине наступает консолидация, осадок, превращается в горную породу. Дальнейшее образование осадочной породы происходит в результате эпигенеза.В эту стадию породы испытывают повышенные давления и температуры. Происходит изменение минералогического состава. В этих породах фильтруются подземные воды, состав которых совсем иной в сравнении с иловыми растворами.

В конечные стадии прогрессирующего эпигенеза роль гравитационного уплотнения ослабевает, так как породы почти предельно уплотнены предыдущими процессами. Основное значение приобретают минералогические преобразования. Это происходит не только под действием гравитации, но и постоянным действием бокового одностороннего давления (стресса). Это давление приводит к дифференцированным подвижкам внутри пород (аналогично фазам сдвигов).

В складчатых областях происходит неоднократная смена направлений бокового давления в результате дислокаций. Следовательно, породы в этих условиях испытывают огромные всесторонние давления, что вызывает существенное повышение прочности пород.

В платформенных условиях при горизонтальном залегании слоев процессы гравитационного уплотнения являются ведущими в формировании прочностных свойств.

Различая условий формирования пород в разных геоструктурных областях (регионах) позволяет выделить несколько зон (табл.1).

 

Таблица 1

Зоны геоструктурных областей

 

Зоны Глубина, м Тектонические структуры Плотность, т/м3 Порис- тость, % Тип пород
1. Неизменного цемента (диагенез, последняя стадия или начальный эпигенез). Стадия затрудненного уплотнения осадков, отжимается рыхлосвязанная вода До 2000 Платформа 1,4–2,1 35–12 Уплотненные глины, слабосцементированные песчаники
2. Измененного глинистого цемента (глубинный эпигенез). Мощность зоны до 3500–4000 м Свыше 2000-2500 Погруженные участки платформ, краевые про-гибы, периферийные области складчатых структур 2,5–2,55 12–13 (верх) 4–5 (подошва) Аргиллиты, песчаники прочные; хлоритизация, перекристаллизация
3. Кварцитовидных структур и хлоритосерицитового цемента (переходная к региональному метаморфизму, высокие температуры и давления) Свыше 8000 Геосинклинали 2,6 близка к плотности минеральных частиц 4–2 не меняется по разрезу Интенсивно дислоцированы породы; хлоритовые, мусковитов сланцы, кварцитовидные песчаники

Первые две зоны – ведущим является гравитационное уплотнение, третья зона–стресс.

Например, установлено, что все терригенные мезозойские платформенные отложения на глубину до 2000 м принадлежат единой зоне неизмененного глинистого цемента (начального эпигенеза). В пределах этой зоны породы сохраняют первичные текстурно-структурные признаки и минералогический состав, приобретенные в течение осадконакопления и диагенеза. Плотность увеличивается с глубиной от 1,4 до 2,1 г/см3, пористость уменьшается от 35 до 12%.

В наиболее погруженных участках платформы на глубинах свыше 2000–2500 м, а также в краевых прогибах и периферийных областях складчатых структур выделяется «зона измененного глинистого цемента» или глубинного эпигенеза. Мощность зоны достигает 3500–4000 м. Породы этой зоны подверглись значительной эпигенетической переработке, что проявилось в перекристаллизации глинистого вещества, хлоритизации, появлении мозаично-регенерационных структур в песчаниках (регенерация-восстановление формы). Влияние гравитационного уплотнения на формирование свойств пород снижается; плотность остается, по существу, постоянной по всей зоне 2,5–2,6 г/см3, пористость в верхней части зоны достигает 12–13%, к подошве снижается до 4–5%.

Следующая зона–зона раннего метаморфизма или «кварцитовидных структур и хлоритосерицитового цемента» присуща только геосинклинальной области и сложена интенсивно дислоцированными породами. В формировании отложений этой зоны решающая роль принадлежит не гравитационному уплотнению, а стрессу – одностороннему давлению. Для песчаников зоны характерна почти полная замена первичных структур кварцитовидными, глинистые породы превращены в сланцы преимущественно хлоритового и мусковитового состава. Пористость пород не меняется по разрезу (4–2%) и очень слабо отличается от предыдущей зоны. Эта зона характеризуется наличием аспидных (глинистых минералов) и филлитоподобных (метаморфизованных глин), сланцев и кварцитовидных песчаников.

Первые две зоны характеризуют стадию эпигенеза, третья–переходная к региональному метаморфизму. Рассмотренные особенности зон могут быть использованы при установлении региональных закономерностей в изменении инженерно-геологических свойств пород платформенных и геосинклинальных областей.

Имеются данные, характеризующие влияние литификации на формирование инженерно-геологических свойств горных пород. Так в 1956 году В.Д. Ломтадзе предложил инженерно-геологическую классификацию пород с учетом степени литификации (табл. 2). Им выделено 5 групп пород: предельно малой, малой, средней, высокой и предельно высокой степени литификации и дана краткая характеристика инженерно-геологических особенностей каждой группы. Такие данные получены В.Д. Ломтадзе на основе экспериментальных исследований – моделирования природных гравитационных давлений.

 

Таблица 2

 

Классификация пород по степени их литификации (по В.Д. Ломтадзе)

 

Группа Степень литифи-кации Тип породы Показатель текучести   Порис-тость, % Влажность, % Примечания
Предельно-малая Илы Жидкая или вязкотекучая 75–80 75–80 Преобладает свободная вода. Свободно уплотняются, имеют предельно малую прочность, обладают способностью тиксотропии
Малая Глинистые, малоуплотненные породы и лессы, рыхлые пески и галечники Вязко-текучая или пластичная 40–80 40–80 Характерны явления ползучести. Свободная и связанная вода
Средняя Уплотненные глинистые или песчаные породы, но не сцементированные Пластичная или полутвердая 25–30 40–45 Содержится только связная вода
Высокая Слабые песчаники, аргиллиты слабо сцементированные Тугопластичные, чаще породы обладают жесткостью 5–10 12–15 Прочные кристаллизационно-конденсационные связи Rсж=10кг/см2
Предельно высокая Сланцевые аргиллиты, глинистые сланцы, крепкие песчаники, конгломераты прочносцементи-рованные породы Не пластичные, жесткие 4 3–4 Прочные кристаллизационно-конденсационные связи Rсж=100кг/см2

Итак, к 1-й группе отнесены различные илы (супесчаные, суглинистые и глинистые, непылеватые и пылеватые). Обычно они имеют жидкую или вязкотекучую консистенцию, очень высокую пористость и влажность (75–80%). Свободная вода в илах преобладает над связанной и легко из них выжимается. Илы свободно уплотняются, имеют предельно малую прочность и обладают способностью тиксотропных превращений.

II. Глинистые породы малой степени литификации имеют вязкотекучую или пластичную консистенцию, по-прежнему высокую пористость и влажность (40–80%); для них характерны явления ползучести. В эту группу входят мягкие, малоуплотненные глинистые породы и лессы.

III. Третью группу составляют уплотненные разности глинистых пород, для которых характерна умеренная естественная влажность (до 25–30%) и значительная плотность (пористость не превышает 40–45%). Породы имеют пластичную и полутвердую консистенцию, содержат только связанную воду.

IV. К четвертой группе отнесены породы высокой степени литификации, типичными представителями которых являются аргиллиты. Они характеризуются невысокой влажностью (до 12–15%), значительной плотностью; обладают прочными кристаллизационными связями. Породы обладают некоторой жесткостью, но иногда тугопластичны; временное сопротивление сжатию не превышает десятков кг/см2.

V. К группе пород предельно высокой степени литификации отнесены сланцевые аргиллиты и некоторые глинистые сланцы. Влажность их не превышает 3–4%. Породы обладают прочными кристаллизационными связями; их временное сопротивление сжатию измеряется сотнями кг/см2.

Рассмотренные выше положения подтверждаются исследованиями И.Г. Коробановой. Она изучила инженерно-геологические характеристики (бывших под водой) субаквальных глинистых пород плиоцен-четвертичного возраста (N2–Q1) район Бакинского архипелага (группы островов). Ею изучен непрерывный разрез скважины, пройденной на Каспии, на глубину 1200 м, начиная от полужидких илов до уплотненных аргиллитоподобных пород. Отложения эти сформировались в процессе гравитационного уплотнения в условиях непрерывающегося опус-кания. По показателям физического состояния и физико-механических свойств ею выделяются 4 зоны литификации (табл. 3).

 

Таблица 3

Зоны литификации района Бакинского архипелага (по И.Г. Коробановой)

 

Зона литифи кации Глубина мощность, м Характеристика породы Rсж кг/см2 Консист q.е. Коэф. уплотн q.е. Порист % Влажн %
0–7,8 Высокая гидротирован-ность, рыхлое сложение, слабое сцепление 49–43 46–26
Полужидкий ил
7–8 70–80 Много свободной воды, среднеплотные, мягкопластичные 0,55– 0,27 0,41 — 0.,47 48–38 32–21
70–90 550–600 Тугопластичные, близки к сильноуплотненным 43–35 26–17
550–600 До 1200 Сильно дегидротированы и уплотнены (твердая) 18–8
Аргиллитоподобная глина

 

При довольно однородном составе пород ведущим процессом, формирующим физико-механические свойства пород, является цементация, обезвоживание и гравитационное уплотнение при нисходящих тектонических движениях. Ниже дадим характеристику выделенных зон.

I. Осадки высокой гидратированности, рыхлой структуры. Прочность их близка к нулю (0,09–1,4 кг/см2), пористость 49–43%. Влажность в верхних слоях достигает 46%, к подошве снижаясь до 26%.

II. Породы мягкопластичные, содержат еще большее количество свободной воды. Влажность 32–21%, пористость 48–38% (высокая).

III. Породы тугопластичной консистенции, на грани перехода к сильноуплотненному состоянию. Структурные связи значительно упрочнены. Сопротивление одноосному сжатию 35 кг/см2. Влажность резко снижается (26–17%), хотя пористость остается значительной (43– 35%).

IV. Твердые глинистые породы, прочность которых составляет 60 кг/см2, влажность резко снижается (от 18 до 8%), пористость снижается до 20%.

На основе приведенных данных можно сделать следующие выводы по механизму литификации.

Свежее сформировавшиеся субаквальные глинистые осадки являются сложными органоминеральными дисперсными системами. Они рыхлые, сильно обводненные, неустойчивые, погребенные под новые слои осадков претерпевают сложные изменения.

Главнейшими факторами литификации глинистых пород являются цементация, дегидротация и уплотнение.

В глинистых осадках, по И.М. Горьковой, с момента их аккумуляции начинают формироваться структурные связи. В илах происходит коллоидно-химический процесс формирования структурной сетки (застудневание). На глубине первых метров осадок активно дегидратируется уплотняется с отделением большого количества свободной воды (стадия свободного уплотнения по В.Д. Ломтадзе). Соотношение и свойства осадков, по мнению И.М. Горьковой, определяются процессами старения и синерезиса коллоидов. Гравитационное уплотнение имеет подчиненное значение. Рассматриваемая зона соответствует стадии раннего диагенеза. Мощность ее в данном случае 7–8 м.

На второй стадии формирования свойств пород процессы дегидратации и уплотнения протекают менее интенсивно и с глубиной затухают. В пределах этого интервала, отвечающего, по В.Д. Ломтадзе, стадии замедленного уплотнения, выделяются три этапа упрочнения пород, отвечающих отмеченным выше III, IV и V зонам литификации. Породы III зоны литификации являются уже сформировавшимися, хотя и мало прочными. В их дегидротации и уплотнении значительная роль принадлежит уже процессам гравитационного уплотнения. В IV зоне породы приобретают высокую прочность, видимо, обусловленную процессами цементации, за счет выпавших в осадок воднорастворимых солей. На глубине свыше 550–600 м. (в пределах зоны литификации) вся вода в глинистых породах находится в связанном состоянии. Породы обладают весьма высокой прочностью, которая в значительной степени обусловлена развитием конденсационных структур в результате процессов цементации.

Процессам гравитационного уплотнения принадлежит ведущая роль в формировании прочностных свойств горных пород на стадии диагенеза. Последующая жизнь горной породы подчиняется тектоническим процессам, складкообразованию, в результате которого породе передаются давления в десятки раз превышающие гравитационное.

Установлено, что под влиянием тектонических движений значительно усиливается уплотнение осадочных горных пород. В.Н. Приклон-ский отмечал, что плотность одновозрастных пород платформ и складчатых областей резко различна. В.Д. Ломтадзе приводит следующие данные – плотность меловых глинистых пород Поволжья 1,36–1,78 г/см2, а так же пород (плотных аргиллитов) Крымской зоны альпийской складчатости 2,32–2,54 г/см2; юрских глин Москвы и Поволжья составляют 1,32–1,40 г/см2, а одновозрастных пород Прикаспийской впадины 1,70–1,72 г/см2.

На основании имеющихся к настоящему времени исследований установлено, что на процессы диагенеза и эпигенеза отражаются региональные особенности истории развития и современной структуры той или иной территории. Это является основой для установления закономерностей в изменении инженерно-геологических свойств пород в процессе литогенеза.

Влияние тектонических процессов на формирование инженерно-геологических свойств пород в настоящее время изучено еще слабо. Они имеют немаловажное значение при разработке многих теоретических вопросов РИГ. Не зная закономерностей изменения инженерно-геологических свойств пород в земной коре невозможно типизировать ИГУ территории.

Г.А. Голодковской на примере исследований прочности пород в ряде регионов Восточной Сибири показано, что существует определенная зависимость между инженерно-геологическими характеристиками горных пород и принадлежностью их к тому или иному крупному элементу земной коры. Одновозрастные, однотипные в литологическом отношении породы разных геологических структур имеют существенно различные свойства. Степень и характер этих различий определяются спецификой развития и современной структурой отдельных регионов.

Г.А. Голодковской анализируется природа прочности пород на примере тектонического развития юго-западной части Сибирской платформы и Тувинского прогиба. Анализ сделан исходя из того, что тектоническая жизнь этого участка земли на разных этапах геологической истории отразилась на степени дислоцированности, метаморфизма и литогенеза пород, т.е. на их инженерно-геологических свойствах.

Сибирская платформа, как известно, имеет двухъярусное строение. Нижний, структурный ярус слагают сложнодислоцированные и глубокометаморфизованные породы архея и протерозоя, образующие фундамент платформы и выходящие на поверхность в пределах щитов и краевых структур.

Верхний структурный ярус сложен породами от рифея до четвертичного возраста. Этот ярус разделяется на ряд этажей, соответствующих определенным этапам осадконакопления и формирования тектонических структур:

1. Синийские породы – смяты в крутые антиклинальные складки.

2. Нижний кембрий – породы этого возраста выполняют Ангаро-Канский прогиб, дислоцированы в крупные пологие антиклинали и синклинали.

3. Породы верхнего кембрия, ордовика, силура и девона отделены от подстилающих региональным несогласием и дислоцированы слабо. Залегают в виде моноклиналей с углами наклона слоев до 20оС.

4. Верхнекаменноугольные, пермские, триасовые отложения залегают очень спокойно с углами слоев, не превышающих 10оС.

5. Мезо-кайнозойские породы, выполняющие наложенные впадины и залегающие горизонтально.

Породы каждого структурного этажа достигли разной степени литификации и метаморфизма, что нашло свое отражение в их свойствах (табл. 4).

 

Таблица 4

Прочность пород юго-западной части Сибирской платформы

(по Г.А. Голодковской)

Структурный этаж Степень литификации по В.Д. Ломтадзе Прочность пород Rсж кг/см2
Кварцевые песчаники Глинистые породы
Рифейский Слабый региональный метаморфизм. Кварцевые песчаники, филлиты, филитизированные сланцы 1500–2000
Нижне-кембрийский Предельно высокая – прочносцементированные песчаники, конгломераты и сланцевые аргиллиты 570–680
Верхнекембрийский–девонский То же 400–550
Каменноугольный–пермский Высокая – слабосцементированные песчаники и аргиллиты 70–80
Мезозойский (юра) Средняя – плотные пески, алевролиты, уплотненные глины 20–30 до 10–15 15–20
Кайнозойский (палеоген-неоген) Малая – пластичные, мягкие глины, рыхлые пески 8–10

 

Из таблицы видно, что для рассматриваемого региона типично последовательное уменьшение степени литификации и метаморфизма пород и их прочности от нижних структурных этажей к верхним. С этим связана общая направленность тектонических структур, последовательно уменьшается интенсивность складкообразовательных процессов от протерозоя к кайнозою.

Тувинский прогиб в тектоническом развитии неоднороден. Выделяются три главнейшие этапа: ордовик–силур, девон–карбон, юра. Каждый этап характеризуется складчатостью разной интенсивности.

Для изучения физико-механических свойств пород отобраны образцы песчаников из различных структурных зон прогиба: Восточный Танну-Ольский антиклинорий, Кызыльская мульда.

Таблица 5

Показатели свойств песчаников Тувинского прогиба

 

Структура Возраст Характеристика пород Плотность, г/см3 Пористость, % Сопрот. сжатию Rсм кг/см2
Восточно-Танну-Ольский антиклинорий Юра Кварцевые среднезернистые с карбонатным и кварцево-карбонатным цементом. 2,65–2,70 1,5–2 650–850
Полимиктовые, преобладают плагиоклазы, цемент карбонатный, местами серицитизированный. 2,5–2,7 2–2,5 1100–1300
Кызыльская мульда Девон Кварцевые разнозернистые, с карбонатным цементом. 2,3–2,5 1,5–2 450–500

 

Данные табл. 5 указывают на зависимость прочности пород от особенностей тектоники Тувинского прогиба.

При наличии сходства в минералогическом составе песчаников, их структуре, составе цемента, а также пористости и плотности, обращают на себя внимание большие различия в прочности. Более низкая прочность песчаников девона в сравнении с юрскими может быть объяснена тем, что палеозойская складчатость в этом районе проявилась слабо. Поэтому прочность песчаников девона целиком обусловлена составом и строением их цемента. Высокая прочность песчаников юры Тану-Ольского антиклинория связана, видимо, с дислокационным метаморфизмом (без участия магмы), начальной его стадией. На это указывает серицитовый цемент.

Песчаники Кызыльской мульды испытали слабую послеюрскую складчатость, не оказавшую существенного влияния на их текстуру и характер цементации. Прочность их близка прочности слабосцементированных девонских песчаников.

Если сравнить прочность одновозрастных (юрских) пород Тувинского прогиба и Сибирской платформы (табл. 4), можно увидеть, что решающую роль в формировании физико-механических свойств пород играет тектонический режим. Спокойно залегающие юрские песчаники платформы имеют прочность в десятки и даже сотни раз ниже, чем одновозрастные песчаники Тувинской складчатой области. Соответственно различна и степень литификации.

Таким образом, приведенный фактический материал свидетельствует о том, что выявление закономерностей размещения в земной коре комплексов геологических пород, обладающих сходными физико-механическими свойствами, возможно только при учете тектонической обстановки формирования этих пород на всех этапах развития земной коры в том или ином регионе.