Четверг, 20.07.2017
Неофициальный сайт Научно-производственной группы "Тектоника"
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Как возникают трещины

Предисловие

Уважаемые посетители! Считаю необходимым пояснить, что практически весь текст, приведенный ниже, является переложением основных идей научного направления «гидрогеомеханика скальных массивов», в том или ином виде изложенных в научных публикациях Тагильцева Сергея Николаевича, в меньшей части из которых я являюсь соавтором. Список литературы, использованной при составлении текста, приведен на основной страничке, в тексте проставлены ссылки на данный список.

 

Приступаем к разделу:

1. Как возникают трещины?

 

 

Практически все скальные породы, которые мы видим на поверхности земли, в естественных или искусственных обнажениях, обладают трещиноватостью. Трещиноватость уже давно признана одним из важнейших параметров, определяющих инженерно–геологические свойства скальных массивов и их проницаемость для подземных вод.

Так откуда же берутся открытые трещины?

 

 

Большинство специалистов–геологов ответят на этот вопрос примерно так: «Трещиноватость скальных пород связана с экзогенными процессами, трещины выветривания развиваются в приповерхностной части скальных массивов до глубины 100–200 м».
Необходимо отметить, что про такую глубину распространения трещин скажут специалисты, имевшие дело с горными выработками. Консервативно настроенные инженеры–геологи и гидрогеологи, ведущие изыскания непосредственно вблизи поверхности, назовут значение в 50–60 м. Сути дела это не меняет.

А теперь я предлагаю попытаться понять, что же происходит в скальных массивах на самом деле. Прежде всего, о выветривании. Все мы хорошо понимаем, что термин «выветривание» отражает всю совокупность физических и химических процессов, действующих на горные породы вблизи земной поверхности. Однако, на деле, если оперировать этими понятиями, то получается примерно так: подул легкий майский ветерок и скальная порода растрескалась напрочь, только крошки полетели. Объясню почему.

Прочность скальных горных пород (имеется в виду прочность на одноосное сжатие) составляет, в среднем, 100 МПа (мегапаскалей). Это означает, что для того, чтобы образец скальной породы подвергся разрушению (растрескиванию) необходимо положить его под пресс и создать усилие в 1000 атмосфер. Ни один экзогенный процесс не может создать таких нагрузок!

Безусловно, экзогенные процессы, в особенности морозобойное выветривание, воздействие агрессивных, обогащенных кислородом, а в условиях города и различными реагентами, поверхностных вод, атмосферного воздуха и пр. разрушают скальные породы. Но для проникновения агентов выветривания - воздуха и воды, порода должна быть проницаема. То есть, в ней уже должны быть открытые трещины! Экзогенные процессы расширяют существующие трещины, но не создают новых!

Так откуда берутся трещины?

 

 

Существует мнение, что трещины в скальных породах формируются под действием напряжений от веса горных пород.
      Что ж, давайте посчитаем.

Напряжения от веса горных пород рассчитываются из уравнения:

σ =  γН,
где σ – собственно напряжения от веса горных пород с размерностью МПа (мегапаскали),
γ - удельный вес горных пород с размерностью МН (меганьютоны),
Н – мощность столба пород (который давит сверху), в метрах.
     

Удельный вес скальной породы, в среднем, составляет 3 г/см 3 или 0,03 МН (меганьютона). Такое значение удельного веса характерно для основных или средних пород – базальтов и андезитов. Кислые породы – граниты, могут быть чуть легче, удельный вес для них может составлять 2,8 – 2,9 г/см3 или 0,028 – 0,029 МН. Метаморфические породы, наоборот, могут иметь удельный вес на уровне 3,1 г/см3. В любом случае, диапазон значений удельного веса скальных пород достаточно узок. Если удельный вес приближается к 4 г/см3 – это уже проявление рудной минерализации.

Итак, возьмем значение удельного веса 0,03 МН (3 г/см3) и глубину Н = 1000 м. Каково же будет напряжение от веса горных пород в скальном массиве на глубине 1000 м?

А = 0,03 МН * 1000 м = 30 МПа. Получаем значение – 30 мегапаскалей.

А средняя прочность скальных пород на одноосное сжатие составляет 100 МПа – в три раза больше! Кроме того, условия одноосного сжатия создаются в лаборатории искусственно – когда испытуемый под прессом образец не испытывает давления с боков. В скальном массиве всегда сохраняются условия всестороннего обжатия, любой образец в массиве ограничен с боков такой же скальной породой. Это может увеличивать прочность скальных пород в несколько раз!

Отсюда вывод: Напряжения от веса горных пород не могут создать необходимых усилий для растрескивания прочных скальных пород.

Так как же образуются трещины?

 

 

Известно, что некоторые трещины в скальных массивах являются сингенетическими. То есть они образовались одновременно с самим массивом скальных пород. Для осадочных скальных пород (известняков, доломитов) – это трещины напластования, отражающие постепенное накопление карбонатного ила на дне древних водоемов, для магматических пород это контракционные трещины (трещины остывания) и т.д.

Безусловно, сингенетические трещины в скальных породах есть. Однако, мы упускаем один очень важный момент. Скальные массивы на территории Урала имеют, преимущественно, палеозойский возраст. В процессе длительной геологической истории они переживали неоднократные периоды погружения на значительную глубину, прерываемые периодами поднятий и частичной денудации, подвергались метаморфизму и метасоматозу в условиях изменения температуры и давления. Поэтому первичная (палеозойская) открытая трещиноватость скальных пород, как правило, полностью утрачена [9]. Нередко, древние трещины залечены кристаллическим материалом, не уступающим по прочности вмещающим породам.

Здесь необходимо развести понятия, обозначающие два различных природных образования.
Если трещина заполнена кристаллическим материалом, особенно таким материалом, который подразумевает высокотемпературные условия, свойственные глубинным процессам, то она в принципе не представляет для нас интереса. Данная трещина имеет древний возраст и не является элементом нарушения сплошности скального массива. Образец горной породы, включающий такую трещину, может по своим прочностным показателям не отличаться от однородного монолитного образца. Такая трещина не является проницаемой.

Мы же сейчас говорим об открытых проницаемых трещинах. Трещина, обладающая раскрытием, не может быть древней. За триста миллионов лет любая открытая трещина в скальных массивах Урала была бы залечена. Причем закрытие трещины могло произойти даже не за счет каких–либо гидротермальных изменений или перекристаллизации вещества, а в следствие простой диффузии – за такое время ее края просто срослись бы друг с другом. Кроме того, напряжения от веса горных пород, которые недостаточны для образования трещин, вполне достаточны для их закрытия. Процесс закрытия трещин может протекать с различной интенсивностью. Однако, время, за которое происходит закрытие трещин, в большинстве случаев несоизмеримо мало, по сравнению со временем существования самого породного массива.

Итак, мы выяснили, что трещиноватость не является результатом процессов выветривания, не может появиться вследствии действия геостатических (от веса горных пород) напряжений и не может сохраниться в скальных массивах со времени их образования. Отсюда возникает ответ, на интересующий нас вопрос. Единственным источником необходимого силового воздействия на прочные породы в верхней части земной коры являются избыточные тектонические горизонтальные напряжения.

Отсюда выводы:

Открытые проницаемые трещины не могут образоваться в прочной скальной породе в результате выветривания. Ни один экзогенный процесс не может создать усилий, необходимых для растрескивания скальных пород.

Открытые проницаемые трещины не могут образовываться под действием напряжений от веса горных пород, так как эти напряжения недостаточны. Более того, напряжения от веса горных пород способствуют закрытию существующих трещин.

Большинство открытых проницаемых трещин, которые мы видим в скальных породах в настоящее время, имеют тектоническое происхождение. Единственным источником значительного силового воздействия на породные массивы в приповерхностной части земной коры являются избыточные горизонтальные напряжения.

Наличие открытых проницаемых трещин является прямым следствием воздействия современных тектонических сил. Если бы такого воздействия не было, мы, в большинстве случаев, имели бы монолитные скальные массивы без трещин.

 


Идем дальше.
2. Современное напряженное состояние скальных пород

Или идем назад.

На главную

Яндекс.Метрика
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Copyright MyCorp © 2017
    Создать бесплатный сайт с uCoz