层序地层学在边坡岩体划分中的应用

层序地层学在边坡岩体划分中的应用

层序地层学是近年来发展起来的一门新学科和技术。它综合了地震、钻头和露头数据，结合了相关沉积环境和岩相古的地理解释，层序骨架是科学的。它以达到恢复地层演化过程及空间分布格局为其主要目的。层序地层学的解释过程,是为以地层不连续面为界面的、成因上有联系的、并具有旋回性的地层单元建立一个空间分布格局的过程。这种地层不连续面可以是构造成因、剥蚀成因,也可以是沉积间断等造成的。层序地层学中主要有4个控制变量,它们控制着地层单元的几何形态、沉积作用和岩性,这4个控制变量是:①构造升降控制沉积物可容空间;②全球海平面变化控制地层和岩相的分布模式;③沉积物供给控制沉积物的充填和古水深;④气候控制沉积物的类型。作为地层学分支学科的层序地层学,是在地震地层学基础上发展起来的,同时它汲取了沉积学的核心内容并强调层序的概念,在此基础上,形成了其独特的研究内容和方法,综合来讲,它主要研究3方面的内容:①野外露头层序地层分析;②钻井资料层序地层分析;③地震资料综合分析。工程地质岩组的正确划分是研究岩体结构的基础,其目的是将自然界中复杂多样的岩石进行归纳,以便对岩体质量进行分析与评价。一般来说,划分工程地质岩组的过程是在地层划分的基础上进行的,所划分出的岩组既能反映出影响岩体工程地质性能的各种因素如岩性和结构面等,又能够更好地反映出岩体形成时,在地史时期所经受到的各种地质作用、多期次构造运动及其成因变化特征等。对此,笔者探索性地将地层学分支学科的层序地层学引入到工程地质学应用领域,尝试性地应用层序地层学方法来划分工程地质岩组,其目的之一是进一步丰富目前已有的工程地质岩组的划分方法,其次是进一步扩大层序地层学的应用范围,促进工程地质学和层序地层学这两门学科的进一步发展。1岩组划分的依据目前,关于划分工程地质岩组的原则和依据是根据岩性和原生结构面性质、分布规律来进行划分的。本文提出了运用层序地层学方法划分工程地质岩组,该种方法划分岩组基本原则为:其一,岩组的工程地质意义,即同一岩组应具有大体相同或相近的工程地质力学、物理性质等;其二,岩组的应力变形特点,即同一岩组原生结构面的性质应相同或相近。在上述基础上进行岩组划分,划分的依据表现在3个方面,即以沉积地层单位本身所具有的地层特征、沉积过程特征以及边界面特征等为最主要的划分依据。层序地层学关于地层沉积单元的划分一般来说可划分为4大沉积地层单元,它们分别是纹层、纹层组、岩层及岩层系等。因此,笔者认为,岩组的组成形式既可以是这4大沉积地层单元中的其中任意一种,也可以是它们之间的任意两种或两种以上的组合形式,因此,笔者将岩组的基本组成类型(或基本组成单位)划分为4种基本类型,即岩层系型、岩层型、纹层组型和纹层型等类型(表1)。2沿地层序地层划分的岩组以正在修建中的黑河工程为例,对黑河水库引水洞进口段边坡岩体采用层序地层学的方法进行了工程地质岩组划分。黑河水库位于陕西省周至县境内,距离西安市区约86km。黑河大坝为粘土心墙砂砾石坝,坝高130m,坝长422m。其中要在引水洞进口段修筑一放水塔,放水塔的修筑又是黑河引水枢纽工程中的重要组成部分。笔者运用该方法对黑河工程引水洞进口段边坡岩体进行了岩组划分,这不仅是引水洞进口段边坡进行岩体结构研究的物质基础,而且还影响着引水洞进口段岩体质量分级的合理性,因此,它有着重要的工程实际意义。引水洞进口段主要出露地层为前震旦系宽坪群大镇沟组第二岩性段、第三岩性段,其岩性为绿泥石片岩、云母石英片岩、钙质石英岩和斜长斑岩脉;第四系主要覆盖于局部基岩之上或堆积在地形低洼处。地层主要特征见钻孔综合成果柱状图(图1),该钻孔位于引水洞进口轴线的上方,孔深至河床,穿越整个引水洞进口段坡体,基本上反映了引水洞进口段地层及其相互之间的综合特征。在划分岩组的过程中,地层资料主要是应用引水洞进口段边坡钻孔综合成果柱状图(见图1)以及对引水洞进口段一带地层露头的野外实际勘查后所取得的成果资料;采用层序地层学的方法,并在遵照上述岩组划分原则和依据的前提下,按地层编号序列由上到下的顺序(从地表至地下),即从出露地表的第1层至埋深到地下70m深处的第6层,将引水洞进口段边坡岩体作出了如下的岩组划分:第1层云母石英片岩:该层厚度为12m,与下伏地层呈断层接触关系。岩层较为破碎,分两部分组成,第一部分为断层破碎带,第二部分为风化强烈、结构松散的云母石英片岩;尽管这两部分岩性相同,但其所具有的工程地质力学特征及物理性质明显不同,且二者之间又为断层接触,故可将该层划分出两个岩组,它们是①断层破碎岩岩组:厚2m,断层带内的主要成分是云母石英片岩,呈碎块状;②云母石英片岩岩组:灰-灰黑色,风化色呈灰褐-黄褐色,厚10m,岩体风化强烈,岩心呈碎片状,结构松散。云母片多沿片理面分布,石英可构成连续性极好的微细脉体(脉宽1～2mm,或更细)顺片理分布,显示出灰黑色的泥质、粘土质成分与浅灰-灰白-白色的石英脉呈平行相间排列,组成云母石英岩体。地表观察发现引水洞洞口处的该岩组,偶见呈中-薄层状分布,质地略为坚硬,但上延至570m平台处,其破碎程度增强,往上至600m、650m平台处更为破碎。第2层断层破碎带:该层厚2m,与其上覆和下伏地层之间呈断层接触关系。其母岩为云母石英片岩,多为碎块状,局部可见断层泥。鉴于该层厚度不大且母岩组成成分单一,同上、下层之间界面清晰等特征,故将该层划为一个岩组即断层破碎岩岩组。第3层云母石英片岩:该层厚为16.5m,与其上覆地层之间为断层接触,与下伏地层呈整合接触关系。整体性较好,在引水洞的进口处可见一基本层序较为稳定的钙质石英岩,该岩体大体上沿着云母石英片岩的片理面方向侵入;显而易见,母岩和侵入体之间在岩性、成因、工程力学性质等方面均存在着较大差异,故在此将该层又划分出两个岩组,即云母石英片岩岩组和钙质石英岩岩组。云母石英片岩岩组:灰-灰黄色,多为块状,少数呈碎片状。据钻孔资料可知,该层内在分别距离地表15m、20m、30m处单位吸水率相同,其值均为0.12;钙质石英岩岩组:灰白或白色,构成灰白相间的条带状构造,裂面呈黄褐色,具柔皱现象。尽管该层在整个工区内多数情况下为断续性分布,有些地段呈透镜体状夹在云母石英片岩中,表现出其宽窄沿走向变化不一的特点,但是,该层在引水洞进口段边坡一带基本上沿岩层走向呈带状分布,其宽窄沿走向呈规律性变化,单层厚1～60cm不等,平均为20～50cm,尤其在570m、600m平台处,其层厚1～2m,笔者认为将这层钙质石英岩在云母石英片岩中单独划分为一岩组较为妥当。第4层绿泥石片岩:该层与其上覆地层之间呈整合接触关系,与下伏地层为断层接触,层厚35.2m。灰绿色,较为完整,基本上呈块状,层理、片理构造发育,岩层呈中-薄层状;其质地细腻,沿片理偶见呈细或极细的石英脉,沿片理面平行分布。同时,偶见云母片分布于片理面上。总体来讲,该层连续性、整体性都很好。另据钻孔资料,在距地表35.1m、40.1m、45.2m、50.2m、55m处的该层内,单位吸水率分别为0.06、0.01、0.04、0.04、0.04等值,可以看出这些数值大体上是相同或相近的。考虑到上述特点等,笔者认为将该层划为一个岩组较为合理,即统一划为绿泥石片岩岩组。第5层断层破碎带:该层厚2.2m,与上、下层之间呈断层接触关系。组成断层带的主要成分是绿泥石片岩,破碎程度较高,其岩心为一些黑色的绿泥石片岩的粉末,在此,可将该层划为一个岩组,即断层破碎岩岩组。第6层绿泥石片岩:该层厚2.6m,与上覆地层之间为断层接触关系,黑绿色,岩体较为破碎,实为一断层影响带,该断层影响带内岩体破碎程度较第5层要略轻一些。笔者将该层单独划为一个岩组,即绿泥石片岩岩组。由上可知,所划分的这8个岩组其岩组类型均属于岩层型岩组,该岩组是介于岩层系型和纹层组型岩组等两种类型之间,相应所得出的划分结果既不是过于太大、太粗又不致于太小、太细,它不仅符合本区引水洞进口段边坡岩体的实际情况而且还将有利于进一步的分类研究和实际应用。3基于层序地层学的岩组划分方法当前有关岩体工程地质岩组的划分方法,主要是从岩体结构观点出发,即以岩性和原生结构面的性质及其分布规律等为标志进行划分的。具体表现在,首先,就岩性而言要求每一岩组内岩性是相同的,主要指的是成因相同和岩石物质成分相类似;其次,要求每一岩组中的原生结构面性质是相同的,这里主要指成因相同、分布规律相同、密度相同、层厚一致及延展性相同等,然后对岩体进行工程地质岩组划分,划分出的每一岩组都应具有其一定的物理力学指标、一定的水理性质、渗透性质及其一定的波速传播特征等,这些共同点就形成了每一岩组内具有一定相类似的工程地质性质。应用层序地层学方法划分工程地质岩组,建立该方法的理论基础是层序地层学,它首先强调的是岩层层序的概念,也就是说岩层之间是按照“先老后新”的接触关系通过正常沉积所形成的一整套地层,这是该方法对所要进行划分岩组的岩体其地质条件的最基本要求。采用该方法所划分出来的工程地质岩组,能反映出岩体两个方面的特点:首先表现在对于这样一套具有正常沉积关系的岩层,在划分岩组的同时也赋予了年代地层单位的划分,使其成为具有一定地史概念的地质体。因为只有按照时间的先后序次依次研究相关岩体的物质组成、结构及各种构造结构面等,才能有利于全面了解不同地质时代岩体本身所具有的工程地质特征及其变化规律等,这也是为下一步工程地质岩组的合理划分创造必要条件;其次,通过岩组划分后所得到的是一套既具有正常沉积序列又有时间先后序次的岩层,它能反映出那些对岩体工程地质性质有一定影响因素的特征,如各自所具有的基本物质组成、成因类型、形成过程中所经受的各种地质作用及构造运动等这类因素特征和它们的变化规律等。这便于在实际生产和科研过程中,可以根据具体需要进行岩体的分类和研究工作。采用层序地层学方法对岩体工程地质岩组进行划分,使得在原有基础上用来划分岩组的标志得到了进一步地扩大,进而提高了工程地质岩组的划分精度。在应用层序地层学进行岩组划分过程中,除了可以采用一般所应用的岩性和原生结构面作为划分岩组的标志外,还可以使用各种地质界面来作为相应的工程地质岩组的界面,比如以侵蚀面、断层面等不整合面等作为岩组分界面;除此之外,还可以用相邻的一组彼此之间具有一定成因联系且又具有一定沉积旋回性的岩石地层单元之间的整合面来作为岩组的分界面,如相邻一组相对整合且具有一定内在联系的纹层或纹层系之间的界面等。因为用来作为工程地质岩组界面的不整合面,本身就代表着岩体形成时所发生的一次地史事件,这类事件的发生可以是一次构造运动所造成的不整合,比如说发生在地质历史时期的造山运动,其结果造成了岩层的普遍抬升或下降等现象,这样,便使处于上升的岩层遭受到剥蚀作用而形成地层之间的沉积间断,相反,使处于下降的岩层发生再沉积作用而形成具旋回性的岩石地层单元,很明显不整合面上下或者是相邻两套具沉积旋回岩石地层单元层等,它们在物质组成、结构及构造特征等方面均具有明显地差异,而这种差异同时也意味着其各自的工程地质性质、力学特性及物理力学性质等方面也具有一定的差异,因此,可以说这种由不整合面及具沉积旋回岩石地层单元层所代表的整合面等,也代表着工程地质岩组的界面。这样,就使得工程地质岩组在划分依据和理由等方面更加趋于完善,进而从理论上进一步完善了目前已有的工程地质岩组的划分方法。应用层序地层学方法划分工程地质岩组又具有简捷、方便、便于应用的特点。通常情况下,在对于一些地质条件比较复杂而且研究程度较低地区的岩体,采用该方法划分工程地质岩组相对来讲就显得较为方便。例如在划分地质条件复杂、出露地层厚度较大及地质工作研究程度较低地区岩体的工程地质岩组时,就可以用沉积地层旋回单元之间的整合面作为岩组的分界面来进行划分。这样,一方面大大省去了许多工作,另一方面简捷明了且其划分结果又很实用。4层序地层学—结论(1)运用层序地层学方法对黑河工程引水洞进口段边坡岩体进行了岩组划分,依次划分为断层破碎岩岩组、云母石英片岩岩组等