五臺山地區(qū)太古界韌性剪切帶地層特征研究

張光明

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

韌性剪切帶又稱韌性斷層，是一種呈帶狀展布發(fā)育在地殼一定深度下的高應(yīng)變帶，也是地表脆性斷層向地殼深部的延伸部分[1]。這種由巖石塑性流動而成，似斷非斷的特殊構(gòu)造，除了具有重要的探礦意義外[2-4]，對隧道工程的建設(shè)影響較大。如雁門關(guān)公路隧道在右線中導(dǎo)洞施工至ZK110+918時(shí)，發(fā)生糜棱巖碎屑流，片麻巖突變?yōu)樗缮⒌乃樾紡亩错斄鞒鯷5]，并在左線施工時(shí)發(fā)生糜棱巖塌方[6]；某鐵路隧道施工中，遇到韌性剪切帶夾泥化夾層，造成掌子面涌水涌泥，危及施工安全[7]；廣昆鐵路秀寧隧道在富水糜棱巖段落掌子面及側(cè)面巖體開挖后，頻繁出現(xiàn)掉塊和溜坍等失穩(wěn)現(xiàn)象[8]。近些年，工程地質(zhì)領(lǐng)域逐漸開始重視韌性剪切帶工程地質(zhì)條件及對工程的影響，王建鵬研究了陽安二線蔣家山隧道穿越的6條元古界片巖為主的韌性剪切帶的工程地質(zhì)特征[9]；常帥鵬對新建格庫鐵路七面峰4號隧道穿越元古界薊縣系石英片巖為主的韌性剪切帶進(jìn)行綜合勘察分析及圍巖劃分[10]。鄧爭榮等研究中上元古界念青唐古拉巖群變質(zhì)巖韌性剪切構(gòu)造特征及其巖體工程性狀[11]。

不難看出，不同地區(qū)的韌性剪切構(gòu)造，因其地層巖性、形成時(shí)代、機(jī)理，以及所處的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境不同，其工程地質(zhì)特征差異較大。五臺山地區(qū)發(fā)育有較為典型的太古界變質(zhì)巖韌性剪切帶，長約50 km，寬2～14 km，主要分布在河北省龍泉關(guān)—紅土坡—兩界峰以西，山西省鐵堡—門限石—屋腔以東，見圖1。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看[12-16]，對該地區(qū)韌性剪切帶的研究主要集中在其形成的時(shí)代、機(jī)理，巖石化學(xué)成分等方面，而對其工程地質(zhì)條件的研究相對較少。隨著區(qū)內(nèi)鐵路工程項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)，鐵路隧道將不可避免地穿越該區(qū)韌性剪切帶。通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場原位測試等多種手段，對區(qū)內(nèi)韌性剪切帶的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了較為全面的研究，并對鐵路隧道穿越時(shí)的圍巖等級進(jìn)行了劃分，以期積累區(qū)內(nèi)韌性剪切帶工程地質(zhì)數(shù)據(jù)，為今后穿越該地區(qū)的隧道工程建設(shè)提供參考。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要

1 韌性剪切帶地層特征

五臺山太古界韌性剪切帶是在區(qū)域褶皺-推覆作用下發(fā)展起來的，由五臺旋回、呂梁旋回復(fù)合而成，不同旋回變質(zhì)建造在空間上依次分布，晚期的建造以逆沖方式疊置在早期旋回建造之上，在逆沖過程中形成韌性剪切帶。分為五臺期韌性剪切帶和呂梁期韌性剪切帶[17]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查量測，剪切帶內(nèi)地層傾向?yàn)?30°～255°(SWW)，傾角一般為20°～30°，屬緩傾地層。

1.1 剪切變形強(qiáng)度分帶

按照剪切變形強(qiáng)度，區(qū)內(nèi)韌性剪切帶可分為強(qiáng)變形帶和弱變形域。強(qiáng)變形帶由變晶糜棱巖和各種眼球狀糜棱片麻巖組成(見圖2)，弱變形域由各種變粒巖、變斑狀片麻巖等組成；強(qiáng)變形帶在空間上呈網(wǎng)狀，弱變形域分布其中。自弱變形域到強(qiáng)變形帶，巖石中礦物粒度逐漸減小，黑云母含量增加，同時(shí)出現(xiàn)微斜長石交斜長石的現(xiàn)象。在強(qiáng)變形帶中，新生糜棱面理斜截先期片麻理，并呈逆沖式壓疊關(guān)系，長英脈體發(fā)生不均勻褶曲或移位，剪切帶中石英脈發(fā)育，多順片理分布。

圖2 韌性剪切帶內(nèi)巖芯

1.2 巖石及礦物組成

通過調(diào)查及室內(nèi)巖礦鑒定，弱變形域內(nèi)巖石主要為斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖和眼球狀黑云(角閃)斜長片麻巖；強(qiáng)變形帶典型巖石為眼球狀黑云斜長糜棱片麻巖、眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖、黑云糜棱片巖、黑云斜長糜棱片麻巖等，部分典型巖石的顯微構(gòu)造見圖3～圖6。

圖3 斜長角閃巖顯微構(gòu)造圖4 黑云斜長片麻巖顯微構(gòu)造圖5 眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖顯微構(gòu)造圖6 黑云斜長糜棱片麻巖顯微構(gòu)造

巖石受韌性變形作用，沿片理方向可見碎裂現(xiàn)象，沿裂紋斜長石具破碎、雙晶彎曲、波狀消光等受力現(xiàn)象，黑云母具扭折、波狀消光等受力現(xiàn)象。

室內(nèi)磨片試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2，從礦物組成來看，強(qiáng)變形帶和弱變形域內(nèi)巖石礦物成分主要為黑云母、角閃石、斜長石、鉀長石及石英。弱變形域巖石中鉀長石、斜長石、石英含量占比相對較高，黑云母含量一般為10%～20%，隨變形程度的增大，強(qiáng)變形帶巖石中鉀長石含量顯著下降，角閃石逐漸退變?yōu)楹谠颇福谠颇负棵黠@增加，一般為20%～30%，其中黑云糜棱片巖的黑云母含量高達(dá)65%～70%。

表1 弱變形域典型巖石的礦物組成

表2 強(qiáng)變形帶典型巖石的礦物組成

1.3 巖石的膨脹特征

取韌性剪切帶強(qiáng)變形帶巖樣，經(jīng)破碎研磨，比照膨脹土的試驗(yàn)方法進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。按相關(guān)規(guī)范[18]，判定韌性剪切帶內(nèi)巖石為非膨脹性巖土。

表3 巖石膨脹性測試結(jié)果

1.4 韌性剪切帶內(nèi)地溫特征

在4個(gè)深鉆孔內(nèi)進(jìn)行井溫測試，測試結(jié)果見圖7。根據(jù)井溫?cái)?shù)據(jù)，地表以下10～530 m范圍內(nèi)地溫為8～15.6 ℃，平均地溫梯度為1.7～2.1 ℃/100 m，表明韌性剪切帶內(nèi)地溫隨深度變化曲線符合正常的地溫變化規(guī)律。

圖7 井溫測試結(jié)果

2 隧道圍巖級別劃分

2.1 韌性剪切帶巖石強(qiáng)度特征

分別對弱變形域和強(qiáng)變形帶典型巖石進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，并獲取軟化系數(shù)，測試結(jié)果見表4。由表4可知，弱變形域內(nèi)各巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值介于51.1～115.7 MPa，按照巖石堅(jiān)硬程度劃分屬于硬質(zhì)巖-極硬巖；軟化系數(shù)為0.79～0.84，屬于不易軟化類巖石。

表4 巖石強(qiáng)度及軟化系數(shù)測試結(jié)果

強(qiáng)變形帶內(nèi)各巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值介于24.0～40.5 MPa，屬較軟巖-硬巖；軟化系數(shù)為0.63～0.74，屬于易軟化類巖石。

此外，取斜長角閃巖進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果為3.81～6.02 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為4.81 MPa，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.042。韌性剪切帶內(nèi)的片麻巖片理發(fā)育，其抗拉強(qiáng)度較斜長角閃巖小。

2.2 韌性剪切帶巖體完整性測試

巖體的完整性指數(shù)是評價(jià)巖體完整程度的標(biāo)志，有

(1)

式中，KV為巖體完整性指數(shù)；Vpm為巖體彈性縱波速度；Vpr為巖石彈性縱波速度，一般取現(xiàn)場新鮮巖石的縱波速度。

使用PSJ-2型數(shù)字測井儀在4個(gè)深孔內(nèi)進(jìn)行物探綜合測井測試，以研究韌性剪切帶巖體的完整性，4個(gè)鉆孔孔深分別為530 m(ZK1)、448 m(ZK2)、285 m(ZK3)、246 m(ZK4)，各鉆孔深部巖體的聲波速度見表5。工程中，采用PSJ-2型數(shù)字測井儀在鉆孔內(nèi)測得的為巖體聲波速度，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]，巖體的聲波速度比地震波速度高約15%，故認(rèn)為對KV值的影響較小，實(shí)際工程中采用聲波速度比值。

表5 不同鉆孔內(nèi)巖體實(shí)測聲波速度

經(jīng)實(shí)測，深部巖體完整性指數(shù)KV主要集中分布在0.5～0.75，見圖8。按相關(guān)規(guī)范[21]，巖體完整程度分級以較破碎-較完整為主，其中較破碎段落(KV=0.4～0.55)和完整段落(KV>0.75)僅局部分布在埋深小于300 m的范圍內(nèi)。可見該地區(qū)韌性剪切帶內(nèi)巖體的完整性相對較好，與其他文獻(xiàn)中揭示的韌性剪切帶巖體完整性有較大區(qū)別。

圖8 不同鉆孔巖體完整性指數(shù)KV隨深度變化曲線

2.3 韌性剪切帶的地應(yīng)力特征

采用水壓致裂原地應(yīng)力測量方法在530 m深的鉆孔內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力測試，地應(yīng)力測試結(jié)果見表6。

表6 地應(yīng)力測量結(jié)果

由表6可知，測量深度范圍內(nèi)(36.65～507.1 m)，最大水平主應(yīng)力值在2.93～10.54 MPa之間，最小水平主應(yīng)力值在2.66～9.26 MPa之間。總體來看，36.65～285.0 m深度范圍內(nèi)，應(yīng)力大小以水平應(yīng)力為主，主應(yīng)力的關(guān)系為SV

在359.9 m和503.1 m兩個(gè)深度段進(jìn)行水平主應(yīng)力方向印模測量，破裂方位分別為N68°E和N72°E，可見測孔附近最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢作用方向?yàn)楸北睎|。說明該區(qū)域受北東向構(gòu)造運(yùn)動影響，表現(xiàn)出北東-南西向擠壓應(yīng)力，本次測試結(jié)果與前人統(tǒng)計(jì)五臺山地區(qū)整體區(qū)域應(yīng)力基本一致[22]。

2.4 圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)及圍巖分級

分別取表4和圖8中弱變形域和強(qiáng)變形帶典型巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc和完整性指數(shù)KV的平均值，計(jì)算圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，并考慮地下水、主要結(jié)構(gòu)面及初始地應(yīng)力的影響，經(jīng)修正得到圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ][23]。鉆探顯示，韌性剪切帶附近地下水發(fā)育，個(gè)別鉆孔承壓水甚至涌出孔口，故地下水影響系數(shù)K1按“淋雨?duì)罨蚓€流狀”取大值；剪切帶地層傾角一般為20°～30°，按照鐵路隧道選線原則，隧道走向與軟弱結(jié)構(gòu)面走向大致呈正交，主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)K2應(yīng)為0.2～0.4，取平均值K2=0.3；根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果及巖石飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，初始地應(yīng)力影響修正系數(shù)K3按高地應(yīng)力區(qū)考慮，并取K3=0.5。根據(jù)以上取值，隧道圍巖BQ值及[BQ]值計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)及修正結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，韌性剪切帶弱變形域[BQ]值為286～358，強(qiáng)變形帶[BQ]值為172～202，根據(jù)鐵路隧道圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)，韌性剪切帶弱變形域圍巖以Ⅳ級為主，強(qiáng)變形帶隧道圍巖為Ⅴ級。

3 結(jié)論

(1)剪切帶內(nèi)地層緩傾，由強(qiáng)變形帶和弱變形域組成，強(qiáng)變形帶內(nèi)典型巖石為眼球狀黑云斜長糜棱片麻巖、眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖、黑云糜棱片巖、黑云斜長糜棱片麻巖等；弱變形域內(nèi)巖石主要為斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖和眼球狀黑云(角閃)斜長片麻巖等；巖石的礦物成分主要為黑云母、角閃石、斜長石、鉀長石及石英，且隨著剪切變形強(qiáng)度的增加，黑云母含量明顯增多，鉀長石含量顯著下降。

(2)按照巖石堅(jiān)硬程度劃分，弱變形域巖石屬于硬質(zhì)巖-極硬巖且不易軟化；強(qiáng)變形帶巖石為較軟巖-硬巖，易軟化。

(3)韌性剪切帶內(nèi)巖石膨脹性較小，深部巖體完整性指數(shù)主要集中在0.5～0.75，巖體完整程度分級以較破碎-較完整為主。

(4)工程建設(shè)范圍內(nèi)，韌性剪切帶的平均地溫梯度為1.7～2.1 ℃/100 m，符合正常的地溫變化規(guī)律；測量深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值在2.93～10.54 MPa之間，最小水平主應(yīng)力值在2.66～9.26 MPa之間，平均最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹70°E，表現(xiàn)出北東-南西向擠壓應(yīng)力。

(5)弱變形域鐵路隧道圍巖以Ⅳ級為主，強(qiáng)變形帶隧道圍巖為Ⅴ級。