Разрывы со смещением и без смещения (трещины в горных породах)

Классификация трещин. В настоящее время разрывные нарушения без смещения принято называть просто трещинами. Горные породы обычно расчленены сетью трещин располагающихся самым различным образом. Совокупность трещин называется трещиноватостью.

Трещины, имеющие близкую ориентировку, объединяются в ряды или системы. Различия в ориентировке трещин одного ряда по простиранию и падению обычно не превышают 10-15°. Одновременно, как правило, бывает развито несколько рядов. Причем нередко изменения в ориентировке одного из них сопровождаются соответствующими изменениями в другом.

Основными параметрами трещиноватости являются: густота, ширина, протяженность и ориентировка трещин. Густота трещиноватости выражается расстоянием между соседними трещинами или их количеством на 1 м расстояния в направлении, перпендикулярном к некоторой средней поверхности ориентировки трещин.

Трещины характеризуются общим раскрытием, заполнением и зиянием. Раскрытие определяется расстоянием между стенками трещин. Заполнение и зияние могут изменяться от некоторой величины раскрытия до нуля. В сумме они равны раскрытию. Величина зияния в глубине массива может существенно отличаться от величины зияния трещин на поверхностях выветривания, в стенках горных выработок или шлифах (у микротрещин). По густоте трещин и их зиянию можно определить трещинную пустотность, проницаемость массива и другие показатели его коллекторских и инженерно-геологических свойств. Протяженность трещин выявляется в пределах поверхности обнажения.

Ориентировка поверхности трещин в точке замера характеризуется углом и азимутом падения. При замерах элементов залегания трещины горным компасом определяется ее магнитный азимут падения. Чтобы перейти к истинному азимуту, следует учесть магнитное склонение. При работе в подземных горных выработках необходимо также иметь в виду местные отклонения. Поправка на эти отклонения вводится в связи с тем, что при замерах, осуществляемых горным компасом, в условиях горных выработок наблюдаются искажения его показаний под влиянием металла, находящегося в руднике (рельсы, вагонетки), и других причин. Для определения поправки на местные отклонения приходится замерять магнитный контрольный азимут выработки и определять на плане горных работ истинный азимут этой же выработки.

Прежде чем приступить к замерам ориентировки трещин, необходимо на участке, где производятся измерения, установить генезис трещин, определить элементы залегания пластов горных пород, сланцеватости или иных ориентированных текстур. Запись результатов наблюдений над трещинами следует сводить в таблицы непосредственно в поле, а не разбрасывать среди текста полевой книжки. Для каждого генетического типа трещин обработка замеров их ориентировки должна производиться раздельно.

В осадочных и метаморфических породах, обладающих, ясно выраженной слоистостью или сланцеватой текстурой выделяются:

а) поперечные трещины, секущие в плане слоистость или сланцеватость по направлению падения. В разрезах поперечные трещины могут быть либо вертикальными, либо наклонными;

б) продольные трещины, параллельные линии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость в вертикальных разрезах;

в) косые трещины, секущие слоистость или сланцеватость под углом относительно простирания и направления падения;

г) согласные трещины, параллельны слоистости или сланцеватости, как в плане, так и в разрезах.

Трещины нередко различают по углу наклона: вертикальные с углами падения от 80 до 90⁰, крутые - 45-80⁰, пологие -10-45⁰, слабо наклоненные и горизонтальные - 0-10⁰.

С учетом геологических условий формирования трещин выделяются нетектонические трещины и тектонические трещины. Среди нетектонических различают: первичные, трещины выветривания, оползней, обвалов и провалов, а также расширения пород при разгрузке. Первичные трещины возникают при процессах диагенеза и являются трещинами отрыва, внутрислоевыми и обычно перпендикулярны к напластованию или слабо параллельны к нему. Трещины выветривания возникают в процессе выветривания пород, когда раскрываются и расширяются уже существующие и образуются новые. Трещины оползней, обвалов и провалов образуются в результате действия силы тяжести, их называют еще гравитационными. Трещины расширения пород при разгрузке возникают тогда, когда породы находящиеся в сильно сжатом (напряженном) состоянии освобождаются от тектонического напряжения – обнажаются, например, в бортах карьеров.

Разгрузка пород при этом выражается в виде трещин отслаивания и трещин бортового отпора.

Тектонические трещины подразделяются на трещины отрыва, скалывания, трещины сплющивания и кливаж. Они появляются в горных породах в результате деформации разрыва под влиянием тектонических сил, развивающихся в условиях земной коры. Трещины отрыва отражают явления растяжения, а скалывания – сжатия. Трещины отрыва (раскалывания) обычно имеют полости той или иной величины, часто заполняемые в дальнейшем гидротермальными или магматическими, кластическими образованиями. Трещины скалывания обычно плотно сжаты, имея равные поверхности. Трещины сплющивания располагаются в плоскостях параллельных главным осям деформаций А и В. Они развиваются в результате пластического течения вещества в твердом состоянии.

Наглядным выражением трещин сплющивания является кливаж течения.

Кливаж. Кливажом называется совокупность частых параллельных поверхностей скольжения расчленяющие породы на тонкие параллельные пластинки и плитки. Кливаж возникает при пластических деформациях горных пород. Различают кливаж послойный - развивающийся параллельно слоистости; веерообразный - располагающийся веерообразно относительно осевой поверхности складок; обратный веерообразный - поверхности кливажа сходятся под антиклиналями и под синклиналями; S - образный кливаж – выражается в S - образном изгибе кливажных поверхностей внутри отдельных слоев; главный кливаж течения – развивается параллельно осевым поверхностям (рисунок 13).

Рисунок 13. Разновидности кливажа (по А.Е.Михайлову): а - послойный кливаж. Секущий кливаж: б - веерообразный; в - обратный веерообразный; г - S-образный; д - параллельный

Графические методы изображения замеров трещин. При полевом изучении трещиноватости горных пород проводятся массовые замеры трещин, требующие дальнейшей обработки. Ориентировка поверхности трещин в точке замера характеризуется углом и азимутом падения. При обработке данных трещиноватости прибегают к составлению различных диаграмм и карт трещиноватости. В основе построения таких диаграмм должно лежать разделение трещин по генезису. В настоящее время наибольшим распространением пользуются круговые диаграммы в изолиниях, построенные с помощью сетки Вальтера-Шмидта. Широко используются и другие виды диаграмм, в особенности розы-диаграммы на которых легко можно выявить преобладающие простирания трещин, азимуты или углы их падения. Достоинством же диаграммы, построенной на сетке Вальтера-Шмидта, заключается в наглядности изображения, возможности количественной оценки трещин различного направления и сравнение диаграмм, построенных для различных участков и районов.

На розах-диаграммах легко можно выявить преобла­дающие простирания трещин, азимуты или углы их падения.

В качестве примера рассмотрим построение розы-диаграммы азимутов линий простирания. На полукруг произвольного радиуса наносится градусная сетка с северными румбами и проводятся радиусы-меридианы (рисунок 14).

Рисунок 14.Роза-диаграмма простираний. Каждое деление соответствует одной трещине (по А.Е.Михайлову)

Интервалы между меридианами можно брать различными – 2-3 или 5°. Затем выбирается единичный отрезок с произвольной длиной, соответствующей одному замеру, служащий масштабом для изображения количества трещин. Единичный отрезок откладывается на полукруге от его центра по направлению замеренного азимута. При этом производится округление значений замеров азимутов в соответствии с частотой проведенных радиусов-меридианов.

Можно вести построение и без округлений. При повторении замера - единичный отрезок откладывается от ранее нанесенного к периферии диаграммы. После нанесения всех замеров концы линий составленных единичными отрезками, соединяют прямыми, и образовавшийся контур затушевывают.

Определение и классификация разрывов со смещениями. Разрывы со смещениями по условиям происхождения и характеру перемещений по ним делятся на шесть основных групп: сбросы, взбросы, сдвиги, раздвиги, надвиги и покровы (рисунки 15, 16).

Сброс - это тектоническое нарушение с поверхностью смещения, наклоненной в сторону опущенного крыла.

Взбросы – это разрывы, в которых сместители наклоны в сторону приподнятого крыла.

Сдвигами называют разрывы, смещения по которым происходят в горизонтальном направлении по простиранию сместителя. В зависимости от угла наклона сместителя выделяют вертикальный, наклонный и горизонтальный сдвиги.

Под раздвигом понимается смещение, выраженное в раздвигании поверхностей разрыва в перпендикулярном направлении, вызванное растягивающими усилиями.

Под надвигами понимают такие разрывы со смещением, которые возникают и развиваются во время складчатости при общих условиях сжатия. Развиты они в сильно сжатых наклоненных или опрокинутых складках и, как правило параллельны осевым поверхностям складок. В складчатых областях часто встречаются чешуйчатые надвиги с падением сместителей в одну сторону.

Тектонические покровы или шарьяжи – это разновидность надвигов, характеризующаяся перемещениями по горизонтальным, пологим или волнистым поверхностям на десятки и до первых сотен километров. Породы подстилающие покров называются автохтоном, а перемещенные - аллохтоном, составляющим тело покрова. Фронтальная часть аллохтона может разрушаться: отчлененные процессами эрозии фрагменты аллохтона представляют собой тектонические останцы или клиппы. Вскрытые эрозией участки автохтона называют тектоническими окнами.

Главным элементом разрывных перемещений является поверхность, по которой произошел разрыв и смещение одного блока пород относительно другого. Этот элемент называется сместителем, поверхностью разрыва, или поверхностью скольжения, а в зависимости от типа структуры - сбрасывателем, поверхностью взброса, надвига, сдвига или отрыва и т. п. Наклон сместителя может меняться от горизонтального в покровах до вертикального в сдвигах, сбросах. Нередко в одной и той же структурной форме сместитель по простиранию и падению может менять свое положение; по одному и тому же меняющемуся положению сместителя структурная форма из одного типа может переходить в другой.

Рисунок 15. Разрывы со смещениями:

а - сброс; б - взброс; в - надвиг ;. г - грабены; д - горсты

Угол падения сместителя является вертикальным углом, образованным поверхностью скольжения и горизонтальной плоскостью, который составляется линией падения сместителя и ее проекцией на горизонтальную плоскость. Определение элементов залегания сместителя производится тем же способом, что и элементов залегания слоев и других плоскостей. Необходимо иметь в виду, что в горном деле иногда измеряется другой элемент сместителя - наклон сместителя (и угол), т. е. положение поверхности сместителя по отношению к вертикальной плоскости.

Смещающиеся друг относительно друга блоки пород называются боками или крыльями, лучше называть их боками или блоками. Опущенным блоком является блок пород, переместившийся вниз по отношению к другому блоку, отделенному от первого сместителем. Лежачий бок всегда находится под сместителем, а висячий над сместителем (рисунок 26).

А-В - тело аллохтона, В - голова, лоб аллохтона; 1- останец; 2 - тектоническое окно; 3- корни аллохтона

Рисунок 16. Небольшой шарьяж (Аннабергская лежачая складка) (по Белоусову). Нижний триас представлен очень пластичными породами.

Важным элементом разрывной структуры является амплитуда смещения, т. е. величина перемещения одного блока по отношению к другому. Она называется истинной амплитудой и определяется расстоянием между двумя сопряженными до разрыва точками по сместителю. Обычно определяются вертикальная и горизонтальная составляющие истинного смещения.

Вертикальная амплитуда смещения представляет собой вертикальную составляющую истинного смещения и равна расстоянию по вертикали между смещенными смежными точками на боках разрывного смещения.

Горизонтальная амплитуда - это горизонтальная составляющая истинногосмещения. Горизонтальная амплитуда может выражать величину расхождения блоков в горизонтальном направлении, величину перекрытия блоком (надвигание) или величину сдвигания по горизонтали. Под стратиграфической амплитудой понимается расстояние между перемещенными смежными точками по нормали к поверхностям наслоения (на подошве или кровле слоя).

В отличие от вертикальной амплитуды иногда определяется так называемый вертикальный отход - расстояние по вертикали между смещенными слоями, т. е. вертикальная составляющая стратиграфической амплитуды.

Горизонтальный отход - это расстояние в горизонтальном направлении. Важным элементом разрывной структуры со смещением является линия разрыва, образованная от пересечения сместителя с поверхностью рельефа местности. Этот элемент называется также линией разрывного нарушения, линией сместителя или линией сброса, взброса, надвига и т. п. При вертикальном сместителе независимо от формы рельефа местности линия разрыва всегда будет прямой, если простирание сместителя будет постоянным. Линия разлома при наклонном сместителе и горизонтальной поверхности местности также при любом наклоне сместителя будет всегда прямой. Изогнутая, зигзагообразная линия разлома в плане может образоваться при наклонном сместителе и разнообразном расчлененном рельефе местности или при горизонтальной дневной поверхности и изменении простирания сместителя.

Линии тектонических разрывов на геологических картах обозначаются толстой черной линией. Для указания падения сместителя на линии в сторону его падения наносят штрихи или угольнички, а цифрами отмечают углы падения в градусах. На детальных геологических или структурных картах, когда возможно расчленить тектонические разрывные нарушения на виды (например, сбросы, взбросы, сдвиги), их показывают разными условными знаками.

Определение амплитуды разрыва. Для определения амплитуды разрыва необходимо построить разрез вкрест его простирания, с учетом наклона сместителя и условий залегания пород на крыльях. Вертикальная амплитуда разрыва может быть определена на геологической карте с горизонталями по стратоизогипсам или по заложению пласта. Чтобы определить вертикальную амплитуду разрыва, нужно провести стартоизогипсы кровли или подошвы какого-либо пласта с одной стороны разрыва и определив заложение, проводить стратоизогипсы до тех пор, пока одна из них на пересчет кровлю или подошву того же пласта с другой стороны разрыва. Разность отметок стратоизогипс с одной стороны разрыва и другой даст его вертикальную амплитуду. Величину горизонтального смещения в пологих и покровных надвигах установить обычно невозможно, но иногда она хорошо устанавливается по аэрофотоснимкам и космическим снимкам.

Возраст разрывного нарушения определяют в соответствии с возрастом пересекаемых и покрывающих разрыв пород. Разрыв моложе тех пород, которые он нарушает и древнее тех, которые его перекрывают. Если разрыв пересекает какую-то часть складчатой толщи и не затрагивает ее наиболее молодые слои, то возраст его надо поднимать до возраста наиболее молодых пород участвующих в складчатости, поскольку данный разрыв образовался после возникновения складчатых структур. Определение абсолютного возраста тектонитов из зоны дробления и перетирания пород по сместителю дает возможность более или менее точно установить возраст разрывных нарушений.

Изображение разрывных смещений на геологических картах и разрезах. Разрывные нарушения можно изобразить на геологической и структурной картах (рисунок 17). Они обычно изображаются жирной черной линией с бергштрихами или стрелкой указывающей направление падения сместителя. Эту линию называют линией тектонического нарушения. При вертикальном положении плоскости сместителя линия сброса (или сдвига) на карте изображается прямой, положение которой не зависит от характера рельефа, а определяется простиранием сместителя. При наклонном положении сместителя линия сброса (взброса, надвига) будет прямой лишь при горизонтальной поверхности земли, а при расчлененном рельефе изобразится извилистой кривой, отклоняющейся на участках понижения в сторону падения плоскости смещения. Таким образом, распознавание направления падения разрывных смещений на карте подчинено тем же правилам, которые применяются при определении падения наклонных пластов.

Рисунок 17. Разрывные нарушения на геологической карте имеющие различный возраст (по Павлинову В.Н.)

На геологической карте, как и на местности, сброс может быть обнаружен: по перемещению пласта вдоль линии сброса; по повторению выхода пласта; по исчезновению выхода пласта; по изменению простирания пород в выходах вдоль линии шарнирного сброса.

При определении на карте относительного положения блоков или крыльев сброса, взброса или надвига в первую очередь сопоставляют возраст пород на смежных блоках. В поднятом крыле обнажаются более древние породы, чем в опущенном. Или же применяют «правило пяти П» (предложенное С.А. Музылевым), согласно которому поднятый пласт перемещается по падению.

При построении разреза по обычной геологической карте с разрывными смещениями руководствуются теми же общими правилами, что и построение складок и наклонных слоев. Но здесь следует учитывать направление и угол падения сместителя.