Типы трещин и механизмы их формирования
В структурной геологии и геомеханике картирование трещин — это не просто описание нарушений сплошности. Оно нужно для понимания того, каким образом эти нарушения сформировались и как они могут влиять на поведение массива, его проницаемость, устойчивость откосов, выработок и проектирование крепи.
Существует несколько классификаций трещин: геометрические, генетические и специальные. Эти классификации дополняют друг друга и описывают трещины с разных точек зрения.
Тектонические трещины
Эти трещины формируются под действием тектонических напряжений и движений земной коры. Они часто отличаются большой глубиной развития, значительной протяжённостью и образуют системы с устойчивой ориентировкой. Во многих случаях они структурно связаны со складками, разломами и региональными полями напряжений.
Для инженерной практики такие трещины особенно важны, поскольку именно они нередко определяют крупномасштабную анизотропию массива, формирование неустойчивых блоков и развитие потенциальных поверхностей разрушения в откосах и подземных выработках.
Нетектонические трещины
Эти трещины не связаны напрямую с региональной тектонической деформацией.
- контракционные трещины, формирующиеся при остывании магматических пород; в интрузивах они часто образуют почти ортогональные системы, а в лавовых потоках могут развиваться в столбчатую структуру с шестиугольным сечением;
- литогенетические (диагенетические) трещины, возникающие в процессе уплотнения осадков и диагенеза;
- трещины выветривания, формирующиеся при разрушении пород в приповерхностной зоне;
- трещины разгрузки, возникающие вследствие снятия напряжений, расширения, гидратации или упругой отдачи;
- гравитационные трещины, связанные с оползнями, обвалами и локальным перераспределением напряжений.
Литогенетические, контракционные трещины и трещины разгрузки обычно являются наиболее протяженными, в связи с чем они могут вызывать наиболее крупные обрушения на откосах и в подземных выработках.
Искусственные трещины
Это техногенные трещины, возникающие в результате взрывных работ, выемки, бурения и других горных операций.
С геомеханической точки зрения крайне важно отличать природные трещины от наведённых. Искусственные трещины могут искажать структурную интерпретацию, влиять на оценку качества массива и приводить к ошибкам при выборе крепления и расчётах устойчивости.
На практике понимание генезиса трещин помогает геомеханику делать обоснованные предположения об их длине и других важных показателях в условиях ограниченных данных, например когда трещины исследуются только по керну.
Именно поэтому классификацию трещин не следует рассматривать как сугубо геологическое описание. Это рабочий инженерный инструмент, необходимый для прогноза поведения массива и снижения неопределённости при проектировании.
- по степени открытости и проявленности (скрытые, закрытые, открытые);
- по отношению к оруденению (дорудные, внутрирудные, послерудные);
- по характеру действия сил выделяют трещины отрыва и трещины скалывания.
Трещины отрыва (раскола) формируются в плоскости, которая параллельна сжимающим силам и перпендикулярна растягивающим силам. Они возникают, когда растягивающие усилия превышают предел прочности породы на отрыв. В момент появления трещины остаются открытыми. Перемещения вдоль стенок трещин отрыва незначительны, так как они происходят перпендикулярно к стенкам.
Трещины скалывания имеют прямолинейную форму, а их стенки ровные, притёртые и часто отполированные. Трещины скалывания обычно имеют большую протяжённость и образуют системы трещин. Они слабо водоносны или вовсе не водоносны и обладают низкой водопроницаемостью.
Кливаж — это особый тип трещиноватости в горных породах, который можно рассматривать и как морфологический элемент, и как процесс образования трещин, и как способность пород раскалываться на пластины. Морфологически кливаж представляет собой систему примерно параллельных трещин, которые разделяют горную породу на серию пластин без видимого смещения их друг относительно друга.
Существуют различные типы кливажа, включая кливаж течения, кливаж разлома, кливаж скалывания, волнистый кливаж (кливаж скольжения) и кливаж осевой плоскости.
Из практики Scientia: почему генезис трещин важен для геомеханики
Для геомеханика важно не только определить тип трещины, но и понять, как её происхождение связано с формой поверхности, раскрытостью, протяжённостью, заполнителем, водопроницаемостью и сопротивлением сдвигу.
🔸Трещины отрыва обычно имеют извилистую или волнистую форму, неровные стенки и открытый характер. Они могут менять направление на границах пород с разными свойствами и огибать более прочные включения. Вследствие этого их поверхности зачастую характеризуются выраженной шероховатостью, которая увеличивает сопротивление сдвигу.
🔸Трещины скалывания чаще более прямолинейные и протяжённые. Их стенки могут быть ровными, притёртыми или отполированными вследствие смещения. Для них характерны зеркала и борозды скольжения, глинка трения и оперяющие трещины. Для трещин скалывания часто наблюдается зависимость «смещение — длина», которая может быть полезна для оценки протяженности трещин.
🔸Кливаж придаёт породе свойство анизотропии — механического свойства, при котором физические свойства породы различаются в разных направлениях. Вдоль плоскостей кливажа прочность массива на сдвиг и сдвиговая жёсткость обычно ниже, чем при деформировании поперёк кливажа.