П 55-90 (ВНИИГ) Методика составления геоструктурных схем (моделей) скальных массивов в основаниях гидросооружений. Пособие к СНиП 2.02.02-85

Принципы структурного анализа геологического
строения территорий разного масштаба

В горных районах, обязанных своим происхождением тектоническим процессам, особенно завершающимся альпийским орогенезом, горные породы обычно сильно деформированы. В этих условиях выявление геологического строения региона, района и участка створа гидроузла требует определенной системы изучения взаимосвязей пликативных и дизъюнктивных форм тектонических деформаций, исходящих из общих закономерностей орогенических процессов, а именно:

1) особенностей процесса деформирования в условиях сложного напряженного состояния, протекающего по законам механики твердого тела, которые определяют характер деформаций (хрупких, вязких) и кинематику движений взаимодействующих сложно построенных горных массивов;

2) унаследованности развития форм тектонических деформаций толщ пород, проявляющейся в последовательном их развитии по этапам орогенеза;

3) взаимосвязи тектонических процессов в Земной Коре с движением магматических масс и взаимодействия последних с деформируемыми породами.

Тектонические деформации сложно построенных толщ горных пород проявляются избирательно в зависимости от интенсивности процесса орогенеза, ориентации осей эллипсоида тектонических напряжений относительно осей ранее сложившихся структур, строения и свойств самих толщ, неоднородности и анизотропии массива. Поэтому унаследованность в развитии пликативных форм деформации проявляется в усложнении складок, сопровождающемся разрывами сплошности пород. Для дизъюнктивных форм деформаций унаследованность развития проявляется в избирательном росте размеров некоторых из зон тектонических разрывных смещений. Пликативные и дизъюнктивные формы тектонических деформаций являются результатом одного или нескольких этапов процесса орогенеза. Поэтому формирование тех и других может быть синхронным (соскладчатым) или асинхронным (несоскладчатым) в зависимости от времени их формирования. Отсюда вытекает необходимость структурного анализа региона, района и участка как единого комплекса с одновременным рассмотрением обеих форм тектонических деформаций всех порядков, выявлением последовательности их формирования и развития во времени.

Пликативные формы тектонических деформаций - складки

Структурные формы складок, согласно В.В.Белоусову [5, 6], определяются перераспределением материала в толщах деформируемых пород в зависимости от строения толщ, прочности слагающих их пород и кинематических типов складок ("глыбовых", связанных с радиальными движениями Земной Коры; "нагнетания" и "общего смятия", связанных с тангенциальными движениями). Радиальные и тангенциальные движения могут сочетаться во времени и в пространстве, поэтому складки могут иметь различные морфологические типы: острые, округлые, изоклинальные, веерообразные, коробчатые. По условиям залегания пластов пород и основных элементов складок (осевых плоскостей, шарниров, крыльев и т. д.) различают складки: прямые симметричные, асимметричные, наклонные, опрокинутые, лежачие и ныряющие.

В инженерно-геологическом отношении особое значение имеют разновидности складок "нагнетания", например, диапировых, часто связанных с присутствием в разрезе пластов и залежей водорастворимых солей, а также складки "облекания", характерные для районов развития неотектонических движений.

Размеры складчатых структур обычно велики, и морфологические типы складок могут быть определены лишь для крупного региона или района. На участке основания сооружения, занимающего обычно лишь часть одной из складок, должны выявляться и расшифровываться элементы усложнения складчатой структуры: микроскладки; складки "волочения" и межформационные; межпластовые проскальзывания; зоны послойного будинажа и другие пликативные формы, местами развивающиеся в тектонические разрывные смещения, залегающие согласно с напластованием. При этом исходной базой является характер складки и ее положение в системе складчатости данного региона, а также возможное сочетание структурных форм, в частности: несогласное залегание структурных этажей района, наложенные складчатые структуры верхнего (более молодого) этажа района и региона, сочетание пликативных и дизъюнктивных форм, развивающихся по унаследованным направлениям в нижнем, более древнем, структурном этаже.

Дизъюнктивные формы тектонических деформаций - разрывные смещения

Тектонические разрывные смещения представляют собой нарушения сплошности породы, выражающиеся в ее хрупком разрушении и характеризующиеся протяженностью, мощностью (шириной), амплитудой смещения и строением сместителя. Разрыв сплошности с ничтожно малой амплитудой смещения блоков называется трещиной.

А.Кайо [83] установил, что в подавляющем большинстве случаев амплитуда смещения составляет примерно 10% от его протяженности (см. табл.1-2). Строение сместителя включает симметричное расположение относительно плоскости сместителя подзон разлинзования и оперяющих трещин - отрыва и скалывания.

При любых видах деформации (растяжение, сжатие, изгиб, кручение) нарушение сплошности пород относится по кинематике движения к двум типам - трещинам отрыва и скалывания - независимо от амплитуды смещения. Для тектонических разрывных смещений приняты специальные термины, характеризующие кинематику движения и связанные с элементами горной геометрии складок.

Сбросы соответствуют трещинам отрыва, развивающимся при деформациях растяжения горных масс, преимущественно в результате радиальных движений Земной Коры.

Сдвиги и взбросы соответствуют трещинам скалывания, развивающимся при различных деформациях массивов, преимущественно в результате сжатия при тангенциальных напряжениях.

В любом скальном массиве имеются трещины обоих основных типов - отрыва и скалывания. В относительно слабых по прочности породах преобладают трещины скалывания, а в жестких высокопрочных компонентах толщ при интенсивных деформациях - трещины отрыва. Это связано со значительно большей прочностью пород на сжатие по сравнению с прочностью на разрыв и скалывание.

Согласно схеме А.А.Белицкого [4] (рис.1-4) при формировании складки можно ожидать развития скалывающих и растягивающих напряжений в соответствии с направлением оси эллипсоида деформации относительно элементов горной геометрии, а именно:

а) развитие разрывных смещений типа сбросов, раздвигов и трещин отрыва вдоль осей эллипсоида деформации: 7 - вдоль осевой плоскости складки под углом падения 90°; 8 - поперек складки под углом 90°; 9 - субгоризонтально, нормально к осевой плоскости складки;

б) развитие трех пар трещин скалывания (1-6), перерастающих нередко в разрывные смещения типа сдвига: их простирание вдоль оси эллипсоида деформации (5, 6) с встречным падением парных плоскостей под углом около 45°; вдоль оси (3, 4) с падением 90°; вдоль оси (1, 2) с падением 45° (эти трещины могут сопровождаться проскальзыванием по напластованию и перерастать в межпластовые срывы и взбросы). При перерастании тектонических трещин в разрывные смещения поле тектонических напряжений резко меняется и дальнейшее развитие трещин по исходной схеме нарушается. Развитие первого во времени разрывного смещения (при сохранении общего положения эллипсоида деформации) усиливается, а развитие трещиноватости других направлений ослабевает.

Рис.1-4. Схема расположения возможных плоскостей тектонических разрывных смещений и трещин
в слоистых скальных породах при формировании симметричных складок в плане (а) и в пространстве (б)

Трещины скалывания (взбросы, сдвиги): системы 1, 2 - параллельно оси , падение 45°;
3, 4 - параллельно оси , падение 90°; 5, 6 - параллельно оси , падение 45°; трещины
растяжения (сбросы, раздвиги): система 7 - в плоскости , падение 90°; 8 - в плоскости ,
падение 90°; 9 - в плоскости , падение" 0°.

Для целей инженерной геологии наибольшее значение имеет мощность зон тектонических разрывных смещений, в частности, суммарная мощность подзон сместителя и разлинзования, в пределах которых скальные породы раздроблены и даже перетерты до состояния рыхлых грунтов, брекчий, "орешника" (каккирита), милонита и глинки трения. Такие подзоны характеризуются повышенной деформируемостью и пониженной водопроницаемостью. Подзоны оперяющих трещин обычно имеют повышенную водопроницаемость и деформируемость. Существенное инженерное значение имеет ориентация плоскостей тектонических разрывных смещений и протяженных трещин относительно векторов приложения нагрузок от сооружения (плотины и др.), при неблагоприятной ориентации снижается его устойчивость. Области сопряжения - стыка тектонических разрывных смещений - являются областями повышенной водопроницаемости, к которым часто приурочиваются сосредоточенные пути фильтрации, распространяющиеся на подзону оперяющих трещин. Все подзоны тектонических смещений требуют их наиболее полной инженерно-геологической характеристики и тщательного отражения пространственного положения на ГСМ. Выявление этих элементов производится последовательным анализом, начиная с разрывов высоких порядков, затем оперяющих их трещин и т.д.