1.2.3. Метаморфические породы

Метаморфические породы образуются из магматических и осадочных горных пород в результате воздействия высоких температур, давления и химически активных веществ – летучих компонентов. Поэтому процессы метаморфизации происходят преимущественно в глубоких горизонтах земли. В отличие от магматических пород метаморфические породы образуются, как правило, при температурах ниже температур плавления минерального вещества.

Различают собственно метаморфические процессы, при которых химический состав пород не изменяется (за исключением содержания воды и углекислоты), и метасоматические процессы, сопровождающиеся изменением химического состава.

Так, в результате метаморфизма из песчаников образуются кварциты, из доломитов и известняков – мраморы, из глин – глинистые сланцы.

Структуры метаморфических пород являются полнокристаллическими и подразделяются на кристаллобластические (образованы в результате перекристаллизации в стесненных условиях), катакластические (образованы при тектоническом дроблении породы) и реликтовые (образованы с частичным сохранением структуры первичных пород). Основными текстурами метаморфических пород являются реликтовые и сланцеватые текстуры.

Доля метаморфических пород в составе земной коры составляет порядка 4%.

1.3. Трещиноватость горных пород

1.3.1. Общие сведения о трещинах и о классификациях пород по трещиноватости

В основе определения термина «трещиноватость» лежит понятие «трещина».

Трещина представляет собой разрыв сплошности породы, который происходит в процессе ее образования и последующего генезиса. При этом величина разрыва должна быть такова, чтобы отсутствовали силы межатомного (межмолекулярного) взаимодействия. Поэтому надежным признаком наличия трещины является величина разрыва порядка 1 нм и более.

Величина разрыва зависит от масштаба процесса образования трещины и может варьироваться в очень широких пределах. Например, озеро Байкал образовалось в месте гигантской трещины растяжения внутри Евроазиатской плиты в результате ее столкновения с Индийской плитой.

В простейшем случае сечение трещины может быть представлено в виде эллипса, у которого одна полуось намного короче другой (рис. 1.7). Тогда геометрическими характеристиками трещины будут: протяженность (длина) трещины, величина раскрытия (расстояние между берегами трещины), радиус закругления кончиков (устьев). Для реальных трещин протяженность определяют как расстояние по берегу между устьями. При этом величина отношения протяженности к раскрытию всегда много больше единицы и достигает иногда несколько порядков. В противном случае речь должна идти о поре.

В процессе генезиса породы трещины заполняются минеральным или органическим веществом, смыкаются, сливаются друг с другом; по трещинам происходит смещение вещества породы. Каждая порода характеризуется совокупностью трещин, которые могут иметь ряд общих признаков: морфологических, по области локализации (в минерале, в минеральном агрегате, цементе); преимущественную ориентацию в пространстве (образовывать систему трещин); общую природу образования, например, по плоскостям напластования, сланцеватости.

Таким образом, по совокупности признаков, рассмотренных выше, говорят о трещиноватости горной породы. Трещиноватость определяет структурно-текстурные особенности горной породы и, следовательно, влияет на ее физико-механические свойства.

Существует достаточное количество классификаций горных пород по трещиноватости, которые условно можно выделить в две группы: геологические и горно-технологические. Однако и в той и другой группах трещины группируются по ряду одних и тех же признаков, лежащих в основе подчиненных классификаций. Рассмотрим эти классификации.

По степени упорядочения в пространстве трещины бывают системными и хаотическими. Говорят, что трещины образуют систему, если они практически параллельны друг другу и повторяются через определенные расстояния. Это определение следует уточнить. Трещины являются, по сути, двумерными дефектами породы, так как их величина раскрытия существенно меньше двух других размеров. Поэтому визуально о трещине можно судить по ее следу на обнажении. В то же время можно лишь предполагать, как на самом деле ориентирована поверхность трещины в глубине массива.

К ак правило, на практике приходится иметь дело не с одной системой трещин. В большинстве случаев имеют место две, три системы трещин, которые разбивают массив на блоки практически прямоугольной формы (рис. 1.8). В ряде случаев, например, для излившихся пород трещины могут разбивать массив на вертикальные гексагональные или пятиугольные призмы (полигональные сети трещин). Системы трещин по-разному развиты, поэтому выделяют господствующие и подчиненные системы трещин. Если не возможно установить систему трещин, то трещины считаются хаотическими.

Геометрическая классификация трещин. В основу этой классификации положены следующие признаки: размер (длина, величина раскрытия); параметры, описывающие ориентацию трещины в пространстве; густота трещин (удельная трещиноватость). Геометрическая классификация оправдана для системы или систем трещин.

Размер трещин. Выше отмечалось, что нижняя оценка величины раскрытия трещины лежит в нанометровом диапазоне и соизмерима с межатомными расстояниями в кристалле. Поскольку трещина в широком смысле слова представляет собой дефект породы, то вкратце рассмотрим элементарные дефекты на уровне кристаллической решетки минерала.

Т очечные дефекты кристаллической решетки представлены вакансиями (отсутствие атома в узле решетки), межузельными атомами (атом в пространстве между узлами) и примесными атомами (рис. 1.9). Точечные дефекты искажают кристаллическую решетку минерала. Вакансии и межузельные атомы имеют термодинамическую природу, их количество в единице объема минерала (концентрация) прямо пропорционально , где - энергия образования дефекта, - постоянная Больцмана, - абсолютная температура.

Дислокации – это уже линейные дефекты, которые бывают двух типов: краевые и винтовые (рис. 1.10). Краевые дислокации характеризуются лишней кристаллической полуплоскостью. Винтовые дислокации можно представить, произведя разрез кристаллической полуплоскости и последующее смещение частей параллельно разрезу на один период. Дислокации служат с воеобразным «стоком» точечных дефектов. Таким образом, наличие дислокаций позволяет понизить энергию кристалла за счет поглощения точечных дефектов. В то же время дислокации существенно искажают кристаллическую структуру минерала, распространяясь на десятки, сотни и даже тысячи периодов кристаллической решетки. Высокая плотность дислокаций, наличие механических воздействий на кристалл в конечном итоге приводят к появлению плоских разрывов – трещин, в результате чего энергия кристалла понижается, т.е. трещины играют роль своеобразных элементов «разгрузки». Поэтому иногда, подчеркивая эту роль трещин, применяют термин «трещина разгрузки».

Заметим, что самые совершенные кристаллы, полученные искусственным путем, могут быть бездислокационными, но не могут не содержать точечных дефектов. Исследования, проведенные в 80-ые годы 20 века на бездислокационных монокристаллах кремния, показали, что отсутствие дислокаций в кристаллах делает нестабильными их свойства.

Поэтому трещины, произошедшие внутри кристалла под действием внешних причин и благодаря наличию собственных дефектов кристалла, называются внутрикристаллическими. Протяженность и раскрытие таких трещин составляют до 10^-2 и 10^-5 м, соответственно.

Периоды кристаллических решеток минералов, слагающих минеральный агрегат (породу), как правило, различаются. Поэтому границы контактов различных минералов являются напряженными и, следовательно, являются вероятными местами появления и развития трещин. Такие трещины локализуются в минеральных агрегатах, между кристаллами, в цементе и называются межкристаллическими трещинами. Протяженность и раскрытие их составляют до 10^-1 и 10^-4 м, соответственно.

Согласно [31] внутрикристаллические и межкристаллические трещины относятся к микротрещинам; трещины длиной 0,1…100 м с хорошо видимым раскрытием или заполнителем и замечаемые в обнажениях горных пород (выработках) - к макротрещинам; разрывы длиной от 100 м и до тысяч км различного происхождения, которые приурочены к локальным складчатым структурам, к региональным полям тектонических напряжений – к тектоническим трещинам.

Параметры, описывающие ориентацию трещины в пространстве. Ориентацию трещин в пространстве принято описывать с помощью угловых параметров: угла падения и азимута падения или азимута простирания (направления).

Угол падения изменяется в пределах 0…90⁰ и отсчитывается от проекции линии падения трещины на горизонтальную плоскость, перпендикулярную радиусу Земли, до линии падения. По углу падения выделяют вертикальные (75…90⁰), крутые (45…75⁰), пологие (15…45⁰) и горизонтальные (0…15⁰) трещины.

Азимут падения изменяется в пределах 0…360⁰ и отсчитывается в горизонтальной плоскости от направления на Северный полюс до проекции линии падения трещины.

Густота трещин (степень трещиноватости) определяется по количеству трещин, приходящихся на единицу длины нормали к поверхностям трещин (поверхностям разрыва). Параметр степени трещиноватости, как правило, характеризует совокупность трещин, относящихся к одной системе.

Поскольку прямым свидетельством трещиноватости служат следы трещин как результат пересечения поверхностей трещин и поверхности обнажения (поверхности горной выработки), то инструментальными параметрами для оценки степени трещиноватости служат: расстояние, отсчитываемое по перпендикуляру к следам ближайших трещин - ; расстояние, отсчитываемое в горизонтальном направлении между следами ближайших трещин, .

С учетом указанных параметров можно получить следующие выражения для нахождения расстояния между трещинами, отсчитываемого по нормали к поверхности трещин,

, , (1.2)

где - угол падения трещин, - угол между азимутами трещин и выработки, - видимый угол наклона трещин.

В частности, азимут падения и угол падения трещины можно определить по неориентированному керну по известным параметрам скважины и пласта. На рис. 1.11 приведена схема определения геометрических элементов залегания трещины для простого случая – керна, извлеченного из вертикальной скважины. Согласно схеме определяется условный азимут трещины - и угол падения - . Затем по известным параметрам напластования находится истинный азимут трещины.

Первичная обработка [16] результатов замеров трещин производится с применением полярной сетки. Полярная сетка (рис. 1.12) представляет собой круговую диаграмму, в которой по внешней окружности (параллели) по часовой стрелке отсчитывается азимут падения, а по радиусу (меридиану) в направлении от центра к внешней окружности – угол падения¹⁾.

Каждая трещина на полярной сетке изображается в виде точки с угловыми координатами, соответствующими углу падения и азимуту нормали к плоскости (полюсу) трещины. Количество полюсов в каждой ячейке подсчитывается следующим образом. Если полюс находится внутри ячейки, то добавляется единица при суммировании, если полюс находится только на окружности или только на радиусе, то добавляется одна вторая и, наконец, если полюс находится одновременно и на окружности и на радиусе, то добавляется одна четвертая. Окончательный результат округляется до целого числа и заносится в ячейку. По численным значениям в каждой ячейке строятся изолинии густоты трещин (рис. 1.12).

Существует упрощенный способ графического изображения трещиноватости в виде роз трещин. Роза трещин представляет собой совокупность векторов, выходящих из общей точки (рис. 1.13). Направление каждого в ектора соответствует азимуту падения, а модуль вектора – густоте трещин. Заметим, что в розе трещины нет дифференцирования трещин по углу падения.

П о механизму образования трещины подразделяют на трещины отрыва (растяжения) и скалывания (сдвига). Несмотря на то, что трещины могут образовываться в результате сжимающих нагрузок все равно трещины будут либо трещинами отрыва, либо трещинами сдвига (глава 6). Дополнительную информацию о трещинах можно получить, рассмотрев их генезис.

По генетическим признакам трещины подразделяют на эндогенные (первичные) и экзогенные (вторичные) трещины.

Эндогенные трещины связаны с процессами усыхания осадков, контракции (растяжения массива при остывании лавовых потоков). Эндогенные трещины являются трещинами растяжения и ориентированы перпендикулярно слоистости или параллельно направлению лавовых потоков. Кроме того, эндогенные трещины могут ориентироваться параллельно напластованию. В этом они напоминают межкристаллические трещины.

Экзогенные трещины бывают естественного и искусственного происхождения. Естественные экзогенные трещины образуется в результате тектонических процессов (тектонические трещины разгрузки), гравитационного давления вышележащих пород, в частности, трещины, обусловленные кливажом, и трещины выветривания и выщелачивания. Искусственные экзогенные трещины своим происхождением обязаны хозяйственной деятельности человека: проведение взрывных работ, приводящих к образованию трещин, ориентированных перпендикулярно обнажению; проходка горных выработок, в результате чего появление трещин происходит из-за сдвижения горных пород от дневной поверхности параллельно обнажению. По механизму образования экзогенные трещины могут быть как трещинами растяжения, так и трещинами сдвига.

Морфологическая классификация трещин. Согласно этой классификации трещины группируются по сходному облику, под которым понимаются:

• форма трещин (прямолинейность, изогнутость, волнистость границ). Например, если трещина прямолинейна в двух направлениях, то она считается плоской;

• поверхность стенок трещин. Гладкая поверхность свидетельствует о том, что трещина образована в результате сдвига, шероховатая – в результате разрыва. Текстурная поверхность указывает на генезис трещины;

• характер заполнения пространства раскрытия трещин.