矿区大型断层碎屑分维及其水文地质工程地质意义

葛晓光, 王 耀, 李鹏军, 杨本水

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽建筑工业学院土木工程学院,安徽合肥 230601)

1 碎屑物分形分析原理

自然界中物质形态、功能、信息及时空结构等方面在局部与整体性上往往显示出自相似性,在分形学中可用一种基于Hausdorff-Besicovitch空间的连续变化非整数的分形维数(简称“分维”)D表示空间维数,从而产生了测度观的转变,为研究自然界中的复杂现象提供了一种科学方法[1,2]。目前分形学方法在地学领域被日益广泛应用[3-6]。

碎屑沉积物颗粒分布在统计上通常具有一定的自相似性,称为统计分形。对应于不同类型和性质的物质颗粒指标r的某些特征N,用分形学的分维法描述,可显示出空间维数上的不同分维D[7]：

设沉积物颗粒的粒径为r,粒径小于r的颗粒累积质量为M(r),M为样品总质量,根据经验,相对累计质量M(r)/M与r的关系式往往满足(2)式,即

假定沉积物颗粒固体密度均匀分布,则颗粒质量正比于颗粒粒径立方,即频度的增量与质量的增量关系为：联立(1)～(3)式,可得到：

(4)式的意义是：如果碎屑物的粒度组成确有分形特征,则在双对数坐标下,可得到确切D值。注意到3-D在公式中是一个线性比例系数,因此当对某个具体样品颗粒成分依据(4)式进行相关分析,如果线性相关系数高,意味着样品颗粒分形特征明显。

断层碎屑是由断层反复运动时两盘岩石的挤压、碎裂、摩擦、滑动作用与地下水携带物质的沉淀等作用形成的,蕴含了有关断层运动和性质的大量信息,近年国际国内一些学者研究发现,不同岩石介质及力学环境中形成的断层碎屑有着不同的分维。

作为断裂带的一个特征参数,分维与断裂带物质成分、粒度结构,乃至断层带的力学性质、断层运动特征、可否地震等都有着密切的关系[8,9]。本文结合淮北矿业集团桃园矿F2断层勘察分析实例,探讨断层碎屑颗粒分维与一些水文地质工程地质性质参数的对应关系。

2 F2断层岩芯土质学特征

2.1 断层概况

桃园矿位于淮北平原的安徽省宿州市南部,井田内古生界(煤系)地层上方被200～300 m厚的新生界底部松散地层覆盖。该矿F2断层是基岩地层中一条纵向断距达435 m以上的大型正断层,介于北六采区与北八采区之间,是从地下延伸大巷通往北八采区的必经之路。根据三维地震勘探成果,该断层走向W—E,倾向N,倾角45°～70°,断层带宽度80 m以上。断层两侧形成于上新世的新生界底部松散含水层被错开[10],表明F2断层新近纪以来仍在活动。

2.2 断层带粒度成分

共测钻孔岩芯土样4组,对大于0.075 mm粒径粗颗粒采用筛分法,剩余细颗粒采用移液管法。测试结果表明,各样品粒度均横跨黏粒至砾石;一般以砂粒为主,但均不超过50%;黏粒含量普遍较高,其中有3个样品黏粒在30%左右,具体分布见表1所列。

表1 F2断层泥样品颗粒累积质量分数 %

2.3 岩石矿物成分

采用X衍射法测试断层细颗粒物质的矿物成分,结果如图1所示。

图1中自上而下的3条X衍射曲线分别来自于新生界下部松散沉积物、断层浅部和断层深部样品,可以明显看出断层浅部的方解石含量是上、下2条X衍射曲线的过渡型。

用X荧光法测试其化学成分结果,见表2所列。

从图1、表2可看出,断层碎屑物质中除了一定量石英砂以外,一般以黏土矿物为主的硅酸盐、铝硅酸盐矿物类占绝对优势,只有水2样品的方解石含量异常增加,原因是取样点位于基岩面以下4 m,断层带细颗粒物质多来自于新生界松散层底部高CaCO3含量的沉积物充填。

图1 断层泥矿物成分X-衍射图谱

表2 F2断层泥样品主要化学成分质量分数 %

3 F2断层碎屑物分形特征

以表1所列F2断层碎屑颗粒粒径为对象,根据(4)式在双对数坐标系建立M(r)/M与r线性拟合关系,求出4个样品的分维D分别为2.64、2.82、2.81和 2.82,如图2所示。

图2中pc=M(r)/M。从拟合效果来看,4个样品的分形线性相关系数分别高达0.982、0.991、0.993和0.991,体现出F2断层的断层带碎屑颗粒分布上具有极高的分形特性。

图2 断层碎屑粒度分形参数分布

对这些断层碎屑样品还进行了工程地质性质测试,有关测试结果与分维 D 的对比见表3所列。

表3 断层碎屑样品分维及相应力学参数

4 碎屑分维的水文地质工程地质意义

4.1 F2断层运动方式

断层泥分维与地震关系已获得广泛研究[8]。一般认为D＞2.8,断层是蠕滑性的,通过细颗粒断层泥蠕变,断层运动持续而稳定,不易地震;D＜2.7,则断层属于黏滑性的,断层易表现为断续快速运动,易发生地震[9]。在本例4个D测定值中,有3个大于2.8,只有1个小于2.7,揭示了F2断层以两盘间缓慢而持续的蠕滑运动为主。依据这些判据可确信,F2断层变形时不会发生剧烈错动或断层地震,不至于出现巷道剧烈断裂破坏现象。因此对巷道工程而言,意味着可不必考虑地震稳定性问题,无需作断层带抗震设计。

4.2 分形与断层富水性

(1)分维与黏土含量关系。对比图2a～图2d可看到,由于粒径分布右端点都对应于 pc=100%,因此左端的pc值(即“黏粒含量”)实际控制了直线斜率;当黏粒含量多时,直线斜率较缓,即3-D较小,因此D自然较大。

对表3的黏粒含量和分维作线性拟合,可以得到黏粒含量与分维D的关系散点图,如图3所示,其相关系数达到了R=0.999。强相关关系说明黏粒土含量与分维存在正比关系,体现出分维是表征断层碎屑黏粒含量的一个代表性参数。

(2)分维与渗透性关系。水1孔110.5 m过断层带冲洗浆液损耗微弱,抽水试验未能抽出水,改作压水,求得(按最大额定泵量2.5 L/s计)渗透系数K=0.006 m/d,仅属于微透水类型。

分形多孔介质固有渗透率随分维D增加而减小已获得理论证明[11-13],D→3时,渗透率→0。由于F2断层碎屑D值普遍很大,自然渗透性弱。

黏粒含量在控制碎屑物质导水性方面可起到关键性作用,原因是颗粒表面静电大量吸附极性水分子形成的结合水层抗拒重力作用,不易传递静水压力,不具有流动性,致使黏性土具有很好的隔水性,因此较高黏性土含量是F2断层带渗透性很低的关键原因。可以认为正是由于颗粒分维D普遍很高,因此F2断层带渗透性必然很差。

4.3 分维与断层泥的物理力学性质

(1)分维与黏聚力关系。有关机理分析和诸多实测资料证明,土的黏聚力与土颗粒分维之间具有明显正相关关系[14-17],可以用黏性土的胶结性好、双电层结合水效应突出,从而抗剪性强来说明这种关系。

对比表3中F2断层的黏聚力与粒度分维D的关系,测出两者相关系数达到0.802,如图4所示,反映了分维随碎屑物的黏聚力增大而增大的基本规律。

(2)分维与内摩擦角关系。按照岩土力学一般规律,如果碎屑物质的颗粒大、黏土矿物少,则运动中摩擦系数大,即内摩擦角较大;而大粒径颗粒多、黏土矿物少,实际意味着粒度分维D小,因此碎屑物内摩擦角与分维理应具有负相关关系,这也得到许多实测资料的证实[8,15-18]。

根据表3,可得F2断层碎屑的4个样品粒度分维D与φ的线性相关系数为-0.983,显示出良好的负相关关系,如图5所示,这充分反映了粒度分维D越大,内摩擦角φ越小的规律。

图3 断层碎屑粒度分维D与黏粒含量关系

图4 断层碎屑粒度分维D与c关系

图5 断层碎屑粒度分维D与φ关系

F2断层的各种水文地质工程地质性质得到实际验证。根据现场揭露,主运输巷道过断层段为典型破碎岩石地带,岩体松软潮湿却无涌水,施工时底鼓、挤帮等蠕变现象严重。因此,对断层带巷道进行了二次支护,通过修改断面设计、加大U形槽钢梁的密度、改半圆拱形为马蹄形全封闭梁支护等技术手段,保证了过断层地带巷道稳定。

5 结 论

采用分形方法分析淮北桃园矿F2断层的碎屑颗粒分布,经过与断层碎屑物的结构、物理力学性质对比,发现如下规律：

(1)在 4个样品中,有 3个样品分维大于2.8,揭示了F2断层以上下盘间缓慢而持续的蠕滑运动为主,断层带发生地震破坏的几率小。

(2)分维与样品黏土含量之间具有良好的正相关关系,分维越高表示黏粒含量越高。

(3)分维与渗透系数关系具有显著的负相关关系,渗透系数随着分维的增大而迅速减小。

(4)抗剪强度试验结果证明,断层碎屑物粒度分维与土的黏聚力呈正相关,即分维越大黏聚力越大;同时粒度分维与断层泥的内摩擦角为负相关关系,分维越大,内摩擦角越小。

断层碎屑物粒度分维作为一个数量指标,蕴含了多项水文地质工程地质信息,其信息量之广是其它任何单一指标难以企及的。在断层的工程分析中有必要将其作为一个专门指标,并进行深入分析。

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