層序地層學(xué)在邊坡巖體劃分中的應(yīng)用

層序地層學(xué)在邊坡巖體劃分中的應(yīng)用

層序地層學(xué)是近年來發(fā)展起來的一門新學(xué)科和技術(shù)。它綜合了地震、鉆頭和露頭數(shù)據(jù)，結(jié)合了相關(guān)沉積環(huán)境和巖相古的地理解釋，層序骨架是科學(xué)的。它以達(dá)到恢復(fù)地層演化過程及空間分布格局為其主要目的。層序地層學(xué)的解釋過程,是為以地層不連續(xù)面為界面的、成因上有聯(lián)系的、并具有旋回性的地層單元建立一個(gè)空間分布格局的過程。這種地層不連續(xù)面可以是構(gòu)造成因、剝蝕成因,也可以是沉積間斷等造成的。層序地層學(xué)中主要有4個(gè)控制變量,它們控制著地層單元的幾何形態(tài)、沉積作用和巖性,這4個(gè)控制變量是:①構(gòu)造升降控制沉積物可容空間;②全球海平面變化控制地層和巖相的分布模式;③沉積物供給控制沉積物的充填和古水深;④氣候控制沉積物的類型。作為地層學(xué)分支學(xué)科的層序地層學(xué),是在地震地層學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,同時(shí)它汲取了沉積學(xué)的核心內(nèi)容并強(qiáng)調(diào)層序的概念,在此基礎(chǔ)上,形成了其獨(dú)特的研究?jī)?nèi)容和方法,綜合來講,它主要研究3方面的內(nèi)容:①野外露頭層序地層分析;②鉆井資料層序地層分析;③地震資料綜合分析。工程地質(zhì)巖組的正確劃分是研究巖體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),其目的是將自然界中復(fù)雜多樣的巖石進(jìn)行歸納,以便對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。一般來說,劃分工程地質(zhì)巖組的過程是在地層劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,所劃分出的巖組既能反映出影響巖體工程地質(zhì)性能的各種因素如巖性和結(jié)構(gòu)面等,又能夠更好地反映出巖體形成時(shí),在地史時(shí)期所經(jīng)受到的各種地質(zhì)作用、多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其成因變化特征等。對(duì)此,筆者探索性地將地層學(xué)分支學(xué)科的層序地層學(xué)引入到工程地質(zhì)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域,嘗試性地應(yīng)用層序地層學(xué)方法來劃分工程地質(zhì)巖組,其目的之一是進(jìn)一步豐富目前已有的工程地質(zhì)巖組的劃分方法,其次是進(jìn)一步擴(kuò)大層序地層學(xué)的應(yīng)用范圍,促進(jìn)工程地質(zhì)學(xué)和層序地層學(xué)這兩門學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。1巖組劃分的依據(jù)目前,關(guān)于劃分工程地質(zhì)巖組的原則和依據(jù)是根據(jù)巖性和原生結(jié)構(gòu)面性質(zhì)、分布規(guī)律來進(jìn)行劃分的。本文提出了運(yùn)用層序地層學(xué)方法劃分工程地質(zhì)巖組,該種方法劃分巖組基本原則為:其一,巖組的工程地質(zhì)意義,即同一巖組應(yīng)具有大體相同或相近的工程地質(zhì)力學(xué)、物理性質(zhì)等;其二,巖組的應(yīng)力變形特點(diǎn),即同一巖組原生結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)應(yīng)相同或相近。在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行巖組劃分,劃分的依據(jù)表現(xiàn)在3個(gè)方面,即以沉積地層單位本身所具有的地層特征、沉積過程特征以及邊界面特征等為最主要的劃分依據(jù)。層序地層學(xué)關(guān)于地層沉積單元的劃分一般來說可劃分為4大沉積地層單元,它們分別是紋層、紋層組、巖層及巖層系等。因此,筆者認(rèn)為,巖組的組成形式既可以是這4大沉積地層單元中的其中任意一種,也可以是它們之間的任意兩種或兩種以上的組合形式,因此,筆者將巖組的基本組成類型(或基本組成單位)劃分為4種基本類型,即巖層系型、巖層型、紋層組型和紋層型等類型(表1)。2沿地層序地層劃分的巖組以正在修建中的黑河工程為例,對(duì)黑河水庫引水洞進(jìn)口段邊坡巖體采用層序地層學(xué)的方法進(jìn)行了工程地質(zhì)巖組劃分。黑河水庫位于陜西省周至縣境內(nèi),距離西安市區(qū)約86km。黑河大壩為粘土心墻砂礫石壩,壩高130m,壩長(zhǎng)422m。其中要在引水洞進(jìn)口段修筑一放水塔,放水塔的修筑又是黑河引水樞紐工程中的重要組成部分。筆者運(yùn)用該方法對(duì)黑河工程引水洞進(jìn)口段邊坡巖體進(jìn)行了巖組劃分,這不僅是引水洞進(jìn)口段邊坡進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)研究的物質(zhì)基礎(chǔ),而且還影響著引水洞進(jìn)口段巖體質(zhì)量分級(jí)的合理性,因此,它有著重要的工程實(shí)際意義。引水洞進(jìn)口段主要出露地層為前震旦系寬坪群大鎮(zhèn)溝組第二巖性段、第三巖性段,其巖性為綠泥石片巖、云母石英片巖、鈣質(zhì)石英巖和斜長(zhǎng)斑巖脈;第四系主要覆蓋于局部基巖之上或堆積在地形低洼處。地層主要特征見鉆孔綜合成果柱狀圖(圖1),該鉆孔位于引水洞進(jìn)口軸線的上方,孔深至河床,穿越整個(gè)引水洞進(jìn)口段坡體,基本上反映了引水洞進(jìn)口段地層及其相互之間的綜合特征。在劃分巖組的過程中,地層資料主要是應(yīng)用引水洞進(jìn)口段邊坡鉆孔綜合成果柱狀圖(見圖1)以及對(duì)引水洞進(jìn)口段一帶地層露頭的野外實(shí)際勘查后所取得的成果資料;采用層序地層學(xué)的方法,并在遵照上述巖組劃分原則和依據(jù)的前提下,按地層編號(hào)序列由上到下的順序(從地表至地下),即從出露地表的第1層至埋深到地下70m深處的第6層,將引水洞進(jìn)口段邊坡巖體作出了如下的巖組劃分:第1層云母石英片巖:該層厚度為12m,與下伏地層呈斷層接觸關(guān)系。巖層較為破碎,分兩部分組成,第一部分為斷層破碎帶,第二部分為風(fēng)化強(qiáng)烈、結(jié)構(gòu)松散的云母石英片巖;盡管這兩部分巖性相同,但其所具有的工程地質(zhì)力學(xué)特征及物理性質(zhì)明顯不同,且二者之間又為斷層接觸,故可將該層劃分出兩個(gè)巖組,它們是①斷層破碎巖巖組:厚2m,斷層帶內(nèi)的主要成分是云母石英片巖,呈碎塊狀;②云母石英片巖巖組:灰-灰黑色,風(fēng)化色呈灰褐-黃褐色,厚10m,巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,巖心呈碎片狀,結(jié)構(gòu)松散。云母片多沿片理面分布,石英可構(gòu)成連續(xù)性極好的微細(xì)脈體(脈寬1～2mm,或更細(xì))順片理分布,顯示出灰黑色的泥質(zhì)、粘土質(zhì)成分與淺灰-灰白-白色的石英脈呈平行相間排列,組成云母石英巖體。地表觀察發(fā)現(xiàn)引水洞洞口處的該巖組,偶見呈中-薄層狀分布,質(zhì)地略為堅(jiān)硬,但上延至570m平臺(tái)處,其破碎程度增強(qiáng),往上至600m、650m平臺(tái)處更為破碎。第2層斷層破碎帶:該層厚2m,與其上覆和下伏地層之間呈斷層接觸關(guān)系。其母巖為云母石英片巖,多為碎塊狀,局部可見斷層泥。鑒于該層厚度不大且母巖組成成分單一,同上、下層之間界面清晰等特征,故將該層劃為一個(gè)巖組即斷層破碎巖巖組。第3層云母石英片巖:該層厚為16.5m,與其上覆地層之間為斷層接觸,與下伏地層呈整合接觸關(guān)系。整體性較好,在引水洞的進(jìn)口處可見一基本層序較為穩(wěn)定的鈣質(zhì)石英巖,該巖體大體上沿著云母石英片巖的片理面方向侵入;顯而易見,母巖和侵入體之間在巖性、成因、工程力學(xué)性質(zhì)等方面均存在著較大差異,故在此將該層又劃分出兩個(gè)巖組,即云母石英片巖巖組和鈣質(zhì)石英巖巖組。云母石英片巖巖組:灰-灰黃色,多為塊狀,少數(shù)呈碎片狀。據(jù)鉆孔資料可知,該層內(nèi)在分別距離地表15m、20m、30m處單位吸水率相同,其值均為0.12;鈣質(zhì)石英巖巖組:灰白或白色,構(gòu)成灰白相間的條帶狀構(gòu)造,裂面呈黃褐色,具柔皺現(xiàn)象。盡管該層在整個(gè)工區(qū)內(nèi)多數(shù)情況下為斷續(xù)性分布,有些地段呈透鏡體狀?yuàn)A在云母石英片巖中,表現(xiàn)出其寬窄沿走向變化不一的特點(diǎn),但是,該層在引水洞進(jìn)口段邊坡一帶基本上沿巖層走向呈帶狀分布,其寬窄沿走向呈規(guī)律性變化,單層厚1～60cm不等,平均為20～50cm,尤其在570m、600m平臺(tái)處,其層厚1～2m,筆者認(rèn)為將這層鈣質(zhì)石英巖在云母石英片巖中單獨(dú)劃分為一巖組較為妥當(dāng)。第4層綠泥石片巖:該層與其上覆地層之間呈整合接觸關(guān)系,與下伏地層為斷層接觸,層厚35.2m?；揖G色,較為完整,基本上呈塊狀,層理、片理構(gòu)造發(fā)育,巖層呈中-薄層狀;其質(zhì)地細(xì)膩,沿片理偶見呈細(xì)或極細(xì)的石英脈,沿片理面平行分布。同時(shí),偶見云母片分布于片理面上?？傮w來講,該層連續(xù)性、整體性都很好。另據(jù)鉆孔資料,在距地表35.1m、40.1m、45.2m、50.2m、55m處的該層內(nèi),單位吸水率分別為0.06、0.01、0.04、0.04、0.04等值,可以看出這些數(shù)值大體上是相同或相近的?？紤]到上述特點(diǎn)等,筆者認(rèn)為將該層劃為一個(gè)巖組較為合理,即統(tǒng)一劃為綠泥石片巖巖組。第5層斷層破碎帶:該層厚2.2m,與上、下層之間呈斷層接觸關(guān)系。組成斷層帶的主要成分是綠泥石片巖,破碎程度較高,其巖心為一些黑色的綠泥石片巖的粉末,在此,可將該層劃為一個(gè)巖組,即斷層破碎巖巖組。第6層綠泥石片巖:該層厚2.6m,與上覆地層之間為斷層接觸關(guān)系,黑綠色,巖體較為破碎,實(shí)為一斷層影響帶,該斷層影響帶內(nèi)巖體破碎程度較第5層要略輕一些。筆者將該層單獨(dú)劃為一個(gè)巖組,即綠泥石片巖巖組。由上可知,所劃分的這8個(gè)巖組其巖組類型均屬于巖層型巖組,該巖組是介于巖層系型和紋層組型巖組等兩種類型之間,相應(yīng)所得出的劃分結(jié)果既不是過于太大、太粗又不致于太小、太細(xì),它不僅符合本區(qū)引水洞進(jìn)口段邊坡巖體的實(shí)際情況而且還將有利于進(jìn)一步的分類研究和實(shí)際應(yīng)用。3基于層序地層學(xué)的巖組劃分方法當(dāng)前有關(guān)巖體工程地質(zhì)巖組的劃分方法,主要是從巖體結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)出發(fā),即以巖性和原生結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其分布規(guī)律等為標(biāo)志進(jìn)行劃分的。具體表現(xiàn)在,首先,就巖性而言要求每一巖組內(nèi)巖性是相同的,主要指的是成因相同和巖石物質(zhì)成分相類似;其次,要求每一巖組中的原生結(jié)構(gòu)面性質(zhì)是相同的,這里主要指成因相同、分布規(guī)律相同、密度相同、層厚一致及延展性相同等,然后對(duì)巖體進(jìn)行工程地質(zhì)巖組劃分,劃分出的每一巖組都應(yīng)具有其一定的物理力學(xué)指標(biāo)、一定的水理性質(zhì)、滲透性質(zhì)及其一定的波速傳播特征等,這些共同點(diǎn)就形成了每一巖組內(nèi)具有一定相類似的工程地質(zhì)性質(zhì)。應(yīng)用層序地層學(xué)方法劃分工程地質(zhì)巖組,建立該方法的理論基礎(chǔ)是層序地層學(xué),它首先強(qiáng)調(diào)的是巖層層序的概念,也就是說巖層之間是按照“先老后新”的接觸關(guān)系通過正常沉積所形成的一整套地層,這是該方法對(duì)所要進(jìn)行劃分巖組的巖體其地質(zhì)條件的最基本要求。采用該方法所劃分出來的工程地質(zhì)巖組,能反映出巖體兩個(gè)方面的特點(diǎn):首先表現(xiàn)在對(duì)于這樣一套具有正常沉積關(guān)系的巖層,在劃分巖組的同時(shí)也賦予了年代地層單位的劃分,使其成為具有一定地史概念的地質(zhì)體。因?yàn)橹挥邪凑諘r(shí)間的先后序次依次研究相關(guān)巖體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及各種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面等,才能有利于全面了解不同地質(zhì)時(shí)代巖體本身所具有的工程地質(zhì)特征及其變化規(guī)律等,這也是為下一步工程地質(zhì)巖組的合理劃分創(chuàng)造必要條件;其次,通過巖組劃分后所得到的是一套既具有正常沉積序列又有時(shí)間先后序次的巖層,它能反映出那些對(duì)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)有一定影響因素的特征,如各自所具有的基本物質(zhì)組成、成因類型、形成過程中所經(jīng)受的各種地質(zhì)作用及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等這類因素特征和它們的變化規(guī)律等。這便于在實(shí)際生產(chǎn)和科研過程中,可以根據(jù)具體需要進(jìn)行巖體的分類和研究工作。采用層序地層學(xué)方法對(duì)巖體工程地質(zhì)巖組進(jìn)行劃分,使得在原有基礎(chǔ)上用來劃分巖組的標(biāo)志得到了進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大,進(jìn)而提高了工程地質(zhì)巖組的劃分精度。在應(yīng)用層序地層學(xué)進(jìn)行巖組劃分過程中,除了可以采用一般所應(yīng)用的巖性和原生結(jié)構(gòu)面作為劃分巖組的標(biāo)志外,還可以使用各種地質(zhì)界面來作為相應(yīng)的工程地質(zhì)巖組的界面,比如以侵蝕面、斷層面等不整合面等作為巖組分界面;除此之外,還可以用相鄰的一組彼此之間具有一定成因聯(lián)系且又具有一定沉積旋回性的巖石地層單元之間的整合面來作為巖組的分界面,如相鄰一組相對(duì)整合且具有一定內(nèi)在聯(lián)系的紋層或紋層系之間的界面等。因?yàn)橛脕碜鳛楣こ痰刭|(zhì)巖組界面的不整合面,本身就代表著巖體形成時(shí)所發(fā)生的一次地史事件,這類事件的發(fā)生可以是一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成的不整合,比如說發(fā)生在地質(zhì)歷史時(shí)期的造山運(yùn)動(dòng),其結(jié)果造成了巖層的普遍抬升或下降等現(xiàn)象,這樣,便使處于上升的巖層遭受到剝蝕作用而形成地層之間的沉積間斷,相反,使處于下降的巖層發(fā)生再沉積作用而形成具旋回性的巖石地層單元,很明顯不整合面上下或者是相鄰兩套具沉積旋回巖石地層單元層等,它們?cè)谖镔|(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征等方面均具有明顯地差異,而這種差異同時(shí)也意味著其各自的工程地質(zhì)性質(zhì)、力學(xué)特性及物理力學(xué)性質(zhì)等方面也具有一定的差異,因此,可以說這種由不整合面及具沉積旋回巖石地層單元層所代表的整合面等,也代表著工程地質(zhì)巖組的界面。這樣,就使得工程地質(zhì)巖組在劃分依據(jù)和理由等方面更加趨于完善,進(jìn)而從理論上進(jìn)一步完善了目前已有的工程地質(zhì)巖組的劃分方法。應(yīng)用層序地層學(xué)方法劃分工程地質(zhì)巖組又具有簡(jiǎn)捷、方便、便于應(yīng)用的特點(diǎn)。通常情況下,在對(duì)于一些地質(zhì)條件比較復(fù)雜而且研究程度較低地區(qū)的巖體,采用該方法劃分工程地質(zhì)巖組相對(duì)來講就顯得較為方便。例如在劃分地質(zhì)條件復(fù)雜、出露地層厚度較大及地質(zhì)工作研究程度較低地區(qū)巖體的工程地質(zhì)巖組時(shí),就可以用沉積地層旋回單元之間的整合面作為巖組的分界面來進(jìn)行劃分。這樣,一方面大大省去了許多工作,另一方面簡(jiǎn)捷明了且其劃分結(jié)果又很實(shí)用。4層序地層學(xué)—結(jié)論(1)運(yùn)用層序地層學(xué)方法對(duì)黑河工程引水洞進(jìn)口段邊坡巖體進(jìn)行了巖組劃分,依次劃分為斷層破碎巖巖組、云母石英片巖巖組等