Инженерно-геологическое изучение скальных грунтов и продуктов их разломных зон (Албазинское месторождение, север Хабаровского края)

«Инженерная геология для общества и территорий» — главная идея XII Конгресса МАИГ (IAEG), который состоялся в сентябре 2014 года в Италии, Турин. В рамках проблемы «Скальные грунты» в программе конгресса выделены следующие научные направления: анализ природы физико-механических свойств, трещиноватости и механизма разрушения; вопросы оценки свойств скальных массивов, для которых были предложены специальные индексы [1][14]. Рекомендуется изучать зависимость физико-механических свойств грунтов от их структурно-минералогических особенностей, которые определяются на микроуровне (петрографические шлифы, РЭМ), а также количественные корреляционные взаимосвязи между различными показателями физико-механических свойств [13].

Следуя этим рекомендациям, на примере коллекции образцов скальных грунтов (дациты и метаморфизованные песчаники), отобранных из бортов карьера Албазинского месторождения на севере Хабаровского края и доставленных в Институт земной коры СО РАН (ИЗК СО РАН), выполнены лабораторные работы по предложенной методической схеме и представлены в сокращенном варианте в трудах конференции «Новые идеи и теоретические аспекты инженерной геологии» [11]. В настоящее время коллекция дополнена образцами двух типов, также отобранных в карьере Албазинского месторождения и представленных продуктами разломных зон, для которых использована специальная методическая схема лабораторных исследований дисперсных грунтов — расширенная для так называемой «глинки трения» (милониты) в виде черной глины (обр. № 1-а) и сокращенная для щебенисто-дресвяных образований (обр. № 2-а). В результате появилась «комбинированная» статья, посвященная инженерно-геологическому изучению скальных грунтов и продуктов их разломных зон. Кратко рассматриваются фондовые материалы по месторождению, затем выполняется описание объектов исследований — образцов коллекции скальных и дисперсных грунтов, представляются методические схемы их лабораторного изучения, приводятся результаты исследований и их обсуждение.

Установлено, что природная плотность скальных грунтов (метапесчаников и дацитов) не влияет существенно на их прочность, поскольку коэффициент корреляции менее 0,40 (0,27). Аналогичная «аномалия» была выявлена ранее при изучении протерозойских песчаников Удокана, для которых ведущими факторами оказались особенности их микроструктуры и микротекстуры и различные признаки метаморфизма, установленные при изучении петрографических шлифов [13].

Объекты исследований

Скальные грунты. Коллекция включает образцы, отобранные в бортах карьера на горизонтах с абс. отметкой 330—340 м: № 1 — дацит (эффузив кислого состава), образец неправильной формы, светло-серого (почти белого) цвета, длина по плоской грани 6 см; в образце № 2 — «зона контакта» темно-серого метапесчаника (метаморфизованного песчаника) и светло-серого дацита, образец неправильной формы, длина по плоской грани 7 см; № 3 — метапесчаник темно-серого (почти черного) цвета, образец имеет неправильную форму и небольшие размеры (длина по плоской грани 4 см); № 4 — контакт темно-серого (почти черного) метапесчаника с дацитом светло-серого цвета, образец прямоугольной формы небольшого размера (длина 4 см); № 5 — метапесчаник черного цвета; образец неправильной формы и значительных размеров (длина по плоской грани 12 см), видны раковистые углубления, заметна слоистость; № 6 — метапесчаник темно-серого (почти черного) цвета; образец прямоугольной формы (длина 9 см, ширина 5 см), на верхней плоскости видна тонкая слоистость; № 7 — метапесчаник серого цвета; образец прямоугольной формы (длина 10 см, ширина 5 см), на боковых гранях имеются раковистые углубления, видна «веерообразная» слоистость в виде белесых пунктирных линий; № 8 — дацит светло-серого цвета; образец неправильной формы и значительных размеров (длина до 12 см), по боковой грани видны раковистые углубления, белые жилки и вкрапленники.

Дисперсные грунты. Коллекция представлена двумя образцами: № 1-а — черная глина (так называемая «глинка трения»); № 2-а — дресва и щебень светло-серых аргиллитов. Эти образования являются продуктами разломных зон, зафиксированных в бортах карьера.

Методические схемы лабораторного изучения скальных и дисперсных грунтов

Измерение «сейсмической скорости» выполнено для образцов коллекции в лабораторных условиях на приборе «Пульсар-2.2: измерение времени и скорости распространения ультразвука». Использовались два способа — поверхностное и сквозное прозвучивание образца, при этом определялись время прохождения ультразвука в микросекундах (T) и база (L) — расстояние между датчиками в миллиметрах. Затем проводился расчет скорости распространения продольных сейсмических волн:

Vp (м/с) = L / Т.

В крупных образцах скорость измерялась дважды — при поверхностном и сквозном прозвучивании с целью уточнения результата, в небольших кусочках — только методом сквозного прозвучивания.

Показатели природной плотности, водопоглощения и плотности минеральной части грунтов определялись в лаборатории по стандартным методикам, значения пористости получены расчетным путем [7]. Для оценки взаимосвязи «сейсмической скорости» скальных грунтов с их физическими параметрами применялась программа кластерного анализа R-типа [2][10].

Каждый образец коллекции сопровождался «петрографической информацией» — приводились уточненное название породы, типы ее микроструктуры и микротекстуры, минеральный состав (содержание главных, второстепенных, акцессорных минералов и вторичных образований), наличие метагенетических изменений в виде серицитизации, кальцитизации, катагенеза (процессы катаклаза) и бластогенеза (перекристаллизация в твердом состоянии).

Дисперсные грунты (продукты разломных зон). Наибольший интерес представляет черная глина — глинка трения (образец № 1-а). Методическая схема лабораторного изучения этого образца включает определение микроструктурных параметров (метод «Микроструктура»); изучение фазового минерального состава и оценку глинистых минералов; определение микроэлементного состава. Кроме того, установлены некоторые физико-химические показатели: плотность минеральной части глины, предел текучести, число пластичности, степень водоустойчивости [7], а также емкость катионного обмена, которая определялась по методу Л.И. Кульчицкого, опубликованному в качестве методических рекомендаций еще в 1977 г., но только в 2017 г. этот метод получил собственное название по фамилии автора [5].

Метод «Микроструктура» [6][10] предполагает выполнение гранулометрического анализа (метод пипетки) с тремя способами подготовки образца и последующим расчетом общего содержания агрегатов и их разновидностей, содержания в агрегатах частиц различных размеров; далее устанавливаются реальная глинистость и тип микроструктуры.

При изучении минерального состава глины применяется метод порошковой дифракции, объединяющий качественный (фазовый) и полуколичественный анализы. Съемка проводится на дифрактометре D8Advance (Bruker AXS, Германия). Фазовый состав проб расшифровывается с помощью программы EVA (Diffrac PDF-2,2007), а также Американской картотеки ASTM PDF, полуколичественное соотношение компонентов рассчитывается по корундовым числам методом RIR [15]. Для идентификации глинистых минералов выполняется съемка ориентированного образца на дифрактометре «Дрон-3,0»; рентгенограммы идентифицируются с помощью программы поиска фаз.

Микроэлементный состав определяется рентгенофлуоресцентным методом с применением спектрометра S8 TIGER [9]. Для группы токсичных элементов (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, F) рассчитывается специальный показатель (Zc), который характеризует степень загрязнения отложений: Zc = ∑ = [Kd – (n – 1)], где Kd — коэффициент концентрации i-го элемента в образце, равный для Co, Ni, Cu, Z nо тношению концентрации токсичного элемента к фоновому содержанию, для Pb, As — отношению их содержаний к предельно допустимым концентрациям (ПДК) ; n — число учитываемых элементов (n = 6) [8].

Этот показатель характеризует удовлетворительную (<16), критическую (16—32), чрезвычайную (32—128) или катастрофическую (>128) ситуацию по степени загрязнения отложений [4]. Кроме того, определяется коэффициент концентрации Кс, который показывает отношение конкретного содержания компонента (среднего или максимального) к величине кларка по А.П. Виноградову.

Для аргиллитов (обр. № 2-а — дресва и щебень из зоны дробления) методическая схема включала только выполнение гранулометрического анализа ситовым методом, определение микроэлементного состава и оценку водоустойчивости дресвы аргиллитов.

Результаты исследований и их обсуждение

Скальные грунты. Рассматриваются результаты определения скорости распространения продольных сейсмических волн (Vp, м/с) в каждом образце коллекции за исключением одного (№ 4), слишком небольшого размера (прибор в этом случае не работает). Одновременно получено описание петрографических шлифов.

Для образца № 1 (дацит) проведено сквозное прозвучивание в двух вариантах: а) Т = 13,8; L = 52 мм; Vp = 3768 м/с; б) Т = 10,8; L = 45 мм; Vp = 4166 м/с. При уменьшении базы L снижается время Т, поэтому незначительно увеличивается «сейсмическая скорость». Далее получаем среднее значение показателя: Vp = 4070 м/с.

В шлифе порода определена как дацитовый порфир; структура порфировая; текстура пятнистая; размеры зерен 0,10—0,25 мм, порфиры достигают 0,60—4,00 мм; главные минералы: плагиоклаз (39%), калишпаты (19%), кварц (18%); второстепенные: кальцит (11%), серицит (10%), рудные (3%); акцессорные (единичные зерна): апатит, сфен, лейкоксен; вторичные образования: кальцит, серицит, гидроокислы железа. Основная масса породы скрытокристаллической фельзитовидной структуры, порфировые включения представлены полевыми шпатами и кварцем, отмечаются участки аллотриоморфной структуры (минералы не имеют четких кристаллических очертаний); полевые шпаты интенсивно кальцитизированы и серицитизированы; неравномерно распределены кварц-полевошпатовые фельзитовые агрегаты, в пределах которых отмечаются мелкие зерна реликтового рудного минерала, замещенного лейкоксеном. Влияние дислокационного метаморфизма проявлено в виде катаклаза (микротрещиноватость).

Для образца № 5 (метапесчаник) в трех вариантах проведено поверхностное прозвучивание: а) Т = 19,6; L = 120 мм; Vp = 6122 м/с; б) Т = 21,1; L = 120 мм; Vp = 5970 м/с; в) Т = 19,7; L = 120 мм; Vp = 6091 м/с; среднее значение: Vp = 6061 м/сек. При сквозном прозвучивании «сейсмическая скорость» оказалась меньше (в среднем 4900 м/с), возможно, по причине визуально замеченной трещинки.

В шлифе порода определена как метапесчаник; микроструктура псаммитовая, размер зерен 0,1—0,3—0,7 мм, редко 1,2 мм, текстура не ясно ориентированная; главные минералы: полевые шпаты (38%), кварц (18%), кроме того, много обломков пород (29%); второстепенные (2—5%): кальцит, биотит, рудные, серицит; акцессорные (единичные зерна): циркон, лейкоксен; вторичные минералы: кварц, кальцит. Зерна в песчанике угловатые, цемент — базально-поровый и поровый (до 16%), глинистый. Зерна полевых шпатов (плагиоклазы серицитизированы, калишпаты пелитизированы) и кварца имеют корродированные контуры, края разъедены глинистым цементом. Кроме того, для кварца отмечено волнистое погасание. Обломки пород представлены алевролитами, аргиллитами, эффузивами среднего состава, редко встречаются кремни и гранитоиды. Между полевыми шпатами и кварцем отмечаются деформированные (изогнутые) зерна биотита, частично хлоритизированные и гидратированные. Ксеноморфные (не имеют кристаллографических очертаний) зерна рудного минерала заполняют межзерновые пространства. По микротрещинам наблюдаются ксеноморфные зерна кальцита. Метагенетические изменения в песчанике проявлены в виде окварцевания и кальцитизации; влияние высокого давления подтверждается присутствием сдавленных зерен кварца с волнистым погасанием.

Таким образом, скорость распространения продольных сейсмических волн («сейсмическая скорость») в метапесчанике (обр. № 5) оказалась выше (6061 м/с) по сравнению с дацитом (4070 м/с — обр. № 1). Причина этих различий, вероятнее всего, заключается в особенностях микроструктуры и микротекстуры, составе главных минералов и признаках изменений, связанных с метаморфизмом.

Дацит имеет порфировую (разнородную) микроструктуру и пятнистую микротекстуру, среди главных минералов преобладают плагиоклазы и калишпаты (в сумме 58%), присутствуют неравномернораспределенные кварц-полевошпатовые фельзитовые агрегаты; признаки метаморфизма — катаклаз, серицитизация и кальцитизация.

Метапесчаник имеет псаммитовую (однородную) микроструктуру, среди главных минералов — серицитизированные плагиоклазы и пелитизированные калишпаты (38%), кварц (18%), отмечено много обломков пород (29%) — алевролитов, аргиллитов, эффузивов; имеются сдавленные зерна кварца (волнистое погасание), деформированные зерна биотита, что связано с влиянием высокого давления приметаморфизме; проявлено окварцевание и кальцитизация.

В других образцах метапесчаника (№ 3, 6) отмечена пониженная «сейсмическая скорость» (4159—4133 м/сек). Почему? В шлифе видно, что они интенсивно катаклазированы, при этом в зоне катаклаза наблюдается перекристаллизация обломочного кварца в гранобластовый агрегат и его обособление в отдельные линзы и гнезда. Для образца № 7 «сейсмическая скорость» повышается до 5074 м/сек; калишпаты пелитизированы каолинитом, плагиоклазы — серицитизированы; кварц — трещиноватый, имеет волнистое погасание (признак катаклаза). Для метапесчаников характерно высокое содержание обломков пород.

В «комбинированном» образце № 2, где наблюдается контакт светлого дацита и темно-серого метапесчаника, проведено сквозное прозвучивание в трех вариантах: а) T = 12,3; L = 58 мм; Vp = 3700 м/сек; б) Т = 16,0; L = 74 мм; Vp = 4600 м/сек; в) Т = 15,0; L = 66 мм; Vp = 4400 м/сек; среднее значение: Vp = 4233 м/сек. «Сейсмическая скорость» оказалась в пределах 3700—4600 м/сек.

Для образца № 2 отдельно были изготовлены шлифы для дацита и метапесчаника. В даците определена фельзитовая микроструктура, кроме того, установлено, что кристаллы плагиоклаза подвержены интенсивному бластогенезу — они перекристаллизованы в субгранобластовую массу с сохранением реликтовой формы отдельных кристаллов; на контакте с метапесчаником видны скопления перекристаллизованного гранобластового кварца. Кроме того, метапесчаник и дацитовый порфир катаклазированы (микротрещины) и интенсивно кальцитизированы. В песчанике окварцевание обломочногоматериала (плагиоклазов) развито в меньшей степени по сравнению с серицитизацией.

Таким образом, признаки катаклаза (кластогенеза) и бластогенеза наблюдаются как в даците, так и метапесчанике, поэтому для «комбинированного» образца № 2 происходит снижение «сейсмической скорости» до 3700 м/сек.

О взаимосвязи скорости распространения продольных сейсмических волн в образцах скальных грунтов с показателями их физических свойств

Для образцов коллекции скальных грунтов составлена матрица, которая включает значения «сейсмической скорости» (Vp) для дацита и песчаника и показатели их физических свойств (табл. 1).

На основе этих данных в Excel по программе кластерного анализа R-типа выполнялась количественная оценка взаимосвязей между выбранными параметрами — признаками. Для этой цели получены две дендрограммы.

Первый график-дендрограмма построен при участии всех признаков для семи образцов (исключен № 4, для которого измерения скорости не проводились) (рис. 2). По горизонтальной оси указан коэффициент корреляции (от 0 до ±1), по вертикальной расположены признаки.

Водопоглощение связано с пористостью на максимальном уровне — коэффициент корреляции равен единице (это первая группа признаков), также значительны взаимосвязи между двумя видами плотности — коэффициент корреляции 0,85 (вторая группа), при этом связь между указанными группами отсутствует (коэффициент корреляции равен нулю); «сейсмическая скорость» (Vp) обнаруживает обратную зависимость от показателей первой группы — пористости и водопоглощения (коэффициент корреляции –0,45). Значит, чем выше эти показатели, тем ниже скорость распространения в скальном грунте продольных сейсмических волн. Плотности (природная и минеральной части), которые не связаны с пористостью и водопоглощением, также не попадают в сферу влияния «сейсмической скорости» (Vp). Почему? Видимо, пористость, а значит, и водопоглощение определяются особенностями микроструктуры — микротекстуры и признаками метаморфизма, которые можно зафиксировать только на микроуровне (в шлифе).

Второй график построен для семи образцов коллекции с тремя признаками (Рпр, n, Vp) (рис. 3). Установлено, что «сейсмическая скорость» (Vp) также имеет заметную, но обратную взаимосвязь с пористостью (коэффициент корреляции составляет –0,45); природная плотность почти не влияет на этот показатель (коэффициент корреляции близок к нулю).

Следовательно, в метапесчанике (обр. № 5) меньше пористость, выше скорость распространения продольных сейсмических волн и больше прочность, в дацитах — выше пористость, ниже скорость продольных сейсмических волн и меньше прочность.

О факте отсутствия влияния плотности на скорость распространения продольных сейсмических волн в скальных грунтах (а значит, и на прочность) приведены данные в начале статьи [13]. Представленные зависимости подтверждают роль петрографической информации для оценки сейсмических и прочностных свойств скальных грунтов.

Дисперсные грунты (продукты разломных зон)

Черная глина — обр. № 1-а. Микроструктура. Используется специальный метод «Микроструктура», разработанный в лаборатории инженерной геологии и геоэкологии ИЗК СО РАН [6][10]. Выполняется гранулометрический анализ образца методом пипетки с различными способами подготовки и рассчитываются коэффициенты микроагрегатности для каждой фракции (Кма*) (табл. 2).

С помощью специальных расчетов определяется общее содержание агрегатов (34,1% — сумма коэффициентов микроагрегатности с отрицательным знаком), что согласно разработанной классификации соответствует скелетно-агрегированному типу структуры глины; среди первичных (свободных) частиц выявлено преобладание песчаных (1,00—0,05 мм — 38,6%), крупнопылеватых (0,05—0,01 мм — 19,9%) и отсутствие глинистых (<0,002 мм); реальная глинистость (общее содержание фракции <0,002 мм в агрегатах и свободном состоянии) составляет 19,4% (определяется при дисперсном способе подготовки образца к гранулометрическому анализу) (табл. 2). При стандартной подготовке образца содержание фракции <0,002 мм составляет всего 0,5% (см. табл. 2), поэтому этот образец следует относить к песку, что не соответствует действительности. На самом деле — это пылевато-песчаная глина со скелетно-агрегированной микроструктурой, в которой первичных песчаных частиц 38,6%, пылеватых 27,2%, агрегатов 34,1%; глинистые фракции полностью мобилизованы в агрегаты (в свободном состоянии их нет).

Минеральный состав. В исследованном образце установлен следующий фазовый состав: кварц составляет 65 ± 5%, доломит 10 ± 5%. Глинистые минералы представлены смектитом (10 ± 5%) и гидрослюдой (10 ± 5%), возможны смешаннослойные минералы типа гидрослюда-смектит, отмечены следы хлорита и каолинита.

Смектит, гидрослюда и смешаннослойные минералы в глинистой фракции определили проявление физико-химической активности образца — емкость катионного обмена составляет 21 мг-экв на 100 г вещества.

Щебенисто-дресвяный грунт — обр. № 2-а. Ситовым методом получены результаты гранулометрического состава образца (табл. 3). Преобладают крупные щебенистые обломки размером более 10мм (28,7%); дресва (размер 10—2 мм) составляет 50,7%; песчаные фракции (2,0—0,1 мм) — 18,4%, тонкие песчаные частицы (<0,10 мм) только 2,2%. Таким образом, исследованный продукт разломной зоны в скальных породах месторождения (образец отобран в карьере при полевом обследовании его стенок) представлен щебенисто-дресвяным материалом (это светло-серый аргиллит) с небольшой примесью песчаных фракций.

Для обломков воздушно-сухого аргиллита ненарушенной структуры на специальном приборе ПРГ-1 определялось время размокания для оценки их водоустойчивости. Установлено, что обломки являются водоустойчивыми — они не разрушались в течение суток и более.

Микроэлементный состав (образцы № 1-а, № 2-а). Определялось содержание 25 элементов (ppm = 0,0001%): V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, Sn, Ba, Sr, Zr, Ce, Rb, S, F, La, Nd, Y, Nb, Ga, W, Mo, U, Th. Для токсичных компонентов черной глины (№ 1-а) и дресвы аргиллита (№ 2-а) рассчитаны коэффициенты загрязнения (Zc) и концентрации (Kc) (табл. 4).

Установлено, что исследованные продукты имеют удовлетворительный уровень по степени загрязнения (Zc < 16); коэффициенты концентрации < 1,0, исключением является мышьяк (Кс = 4,71—6,47); радиоактивный торий присутствует в количестве 9—11 ppm. Из числа других элементов первое место занимает барий (496—549 ppm), второе — стронций (238—253), далее — цирконий (160—169). Кроме того, образцы обогащены серой, особенно черная глина — 3214 ppm (в аргиллитах 696).

Выводы

Представлены и реализованы методические схемы лабораторного изучения скальных грунтов и продуктов их разломных зон по образцам коллекции, образцы которой были отобраны при полевом обследовании карьера Албазинского золоторудного месторождения на севере Хабаровского края; использованы: фондовые материалы инженерно-геологического характера по району месторождения. Предметом изучения является коллекция образцов, которая не претендует на значительное количество объектов, необходимых для представительных обобщений, тем не менее предложенные методические схемы можно рекомендовать для дальнейших исследований.

Для скальных грунтов коллекции, представленных темно-серыми (почти черными) метапесчаниками и светло-серыми дацитами, выполнены комплексные исследования, которые включали измерения в образце скорости распространения продольных сейсмических волн с помощью специального прибора «Пульсар-2.2: измерение времени и скорости распространения ультразвука» (сквозное и поверхностное прозвучивание), определение основных показателей физических свойств и петрографическую информацию.

При использовании программы кластерного анализа R-типа получен «аномальный» вывод об отсутствии влияния плотности грунта на сейсмические свойства. Установленная обратная зависимость «сейсмической скорости» от показателей физических свойств метапесчаника и дацита (коэффициент корреляции –0,45) можно объяснить, вероятнее всего, текстурно-структурными признаками, минеральным составом пород и последствиями метаморфизма — признаками катаклаза и бластогенеза.

Продукты разломных зон в скальных грунтах месторождения представлены, с одной стороны, пластичными черными глинами, которые размокают за 10 минут, с другой — дресвой и щебнем водоустойчивых аргиллитов; по содержанию токсичных микроэлементов они имеют удовлетворительный уровень загрязнения (Zc < 16). В то же время наибольшую опасность представляет черная пластичная водонеустойчивая пылевато-песчаная глина со скелетно-агрегированной микроструктурой и реальной глинистостью 19,4%, которая при водонасыщении может создавать опасные зоны для нарушения устойчивости бортов карьера (играет роль плоскостей скольжения).

В работе задействовалось оборудование ЦКП «Геодинамика и геохронология» Института земной коры СО РАН в рамках гранта № 075-15-2021-682.