五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究_张光明.pdf

收稿日期：基金项目：中国铁路设计集团有限公司科技开发项目重点课题（，）。作者简介：张光明（），男，年毕业于西南交通大学地质工程专业，工学博士，高级工程师，：。文章编号：（）五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究张光明（中国铁路设计集团有限公司，天津）摘 要：目前，对五台山地区韧性剪切带工程地质条件的研究相对较少，通过调查、试验及现场测试，研究该区域太古界韧性剪切带的地层岩性特征，并对区内铁路隧道围岩级别进行划分。得出以下结论：（）剪切带内矿物成分主要为黑云母、角闪石、斜长石、钾长石和石英，随着变形程度的增加，黑云母含量明显增多，钾长石含量显著下降；（）弱变形域内岩石单轴饱和抗压强度为.，强变形带为.，且易软化；（）岩体以较破碎较完整为主，膨胀性不明显；（）.深度范围内，平均地温梯度为.，最大水平主应力为.，最小水平主应力为.，最大水平主应力的优势作用方向为北北东；（）弱变形域内铁路隧道围岩以级为主，强变形带隧道围岩以级为主。关键词：铁路隧道；工程地质条件；太古界；地层特征；韧性剪切带；围岩分级中图分类号：.；文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，：（），（）.，（），（）.，.，.，.（），五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究：张光明：；引言韧性剪切带又称韧性断层，是一种呈带状展布发育在地壳一定深度下的高应变带，也是地表脆性断层向地壳深部的延伸部分。这种由岩石塑性流动而成，似断非断的特殊构造，除了具有重要的探矿意义外，对隧道工程的建设影响较大。如雁门关公路隧道在右线中导洞施工至 时，发生糜棱岩碎屑流，片麻岩突变为松散的碎屑从洞顶流出，并在左线施工时发生糜棱岩塌方；某铁路隧道施工中，遇到韧性剪切带夹泥化夹层，造成掌子面涌水涌泥，危及施工安全；广昆铁路秀宁隧道在富水糜棱岩段落掌子面及侧面岩体开挖后，频繁出现掉块和溜坍等失稳现象。近些年，工程地质领域逐渐开始重视韧性剪切带工程地质条件及对工程的影响，王建鹏研究了阳安二线蒋家山隧道穿越的 条元古界片岩为主的韧性剪切带的工程地质特征；常帅鹏对新建格库铁路七面峰 号隧道穿越元古界蓟县系石英片岩为主的韧性剪切带进行综合勘察分析及围岩划分。邓争荣等研究中上元古界念青唐古拉岩群变质岩韧性剪切构造特征及其岩体工程性状。图 区域构造纲要不难看出，不同地区的韧性剪切构造，因其地层岩性、形成时代、机理，以及所处的区域地质环境不同，其工程地质特征差异较大。五台山地区发育有较为典型的太古界变质岩韧性剪切带，长约，宽，主要分布在河北省龙泉关红土坡两界峰以西，山西省铁堡门限石屋腔以东，见图。从公开发表的文献来看，对该地区韧性剪切带的研究主要集中在其形成的时代、机理，岩石化学成分等方面，而对其工程地质条件的研究相对较少。随着区内铁路工程项目的规划建设，铁路隧道将不可避免地穿越该区韧性剪切带。通过现场调查、室内试验及现场原位测试等多种手段，对区内韧性剪切带的工程地质条件进行了较为全面的研究，并对铁路隧道穿越时的围岩等级进行了划分，以期积累区内韧性剪切带工程地质数据，为今后穿越该地区的隧道工程建设提供参考。韧性剪切带地层特征五台山太古界韧性剪切带是在区域褶皱推覆作用下发展起来的，由五台旋回、吕梁旋回复合而成，不同旋回变质建造在空间上依次分布，晚期的建造以逆冲方式叠置在早期旋回建造之上，在逆冲过程中形成韧性剪切带。分为五台期韧性剪切带和吕梁期韧性剪切带。经现场调查量测，剪切带内地层倾向为 （），倾角一般为 ，属缓倾地层。.剪切变形强度分带按照剪切变形强度，区内韧性剪切带可分为强变形带和弱变形域。强变形带由变晶糜棱岩和各种眼球状糜棱片麻岩组成（见图），弱变形域由各种变粒岩、变斑状片麻岩等组成；强变形带在空间上呈网状，弱变形域分布其中。自弱变形域到强变形带，岩石中矿物粒度逐渐减小，黑云母含量增加，同时出现微斜长石交斜长石的现象。在强变形带中，新生糜棱面理斜截先期片麻理，并呈逆冲式压叠关系，长英脉体发生不均匀褶曲或移位，剪切带中石英脉发育，多顺片理分布。图 韧性剪切带内岩芯.岩石及矿物组成通过调查及室内岩矿鉴定，弱变形域内岩石主要铁 道 勘 察 年第 期为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩和眼球状黑云（角闪）斜长片麻岩；强变形带典型岩石为眼球状黑云斜长糜棱片麻岩、眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩、黑云糜棱片岩、黑云斜长糜棱片麻岩等，部分典型岩石的显微构造见图 图。图 斜长角闪岩显微构造图 黑云斜长片麻岩显微构造图 眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩显微构造图 黑云斜长糜棱片麻岩显微构造 岩石受韧性变形作用，沿片理方向可见碎裂现象，沿裂纹斜长石具破碎、双晶弯曲、波状消光等受力现象，黑云母具扭折、波状消光等受力现象。室内磨片试验结果见表 和表，从矿物组成来看，强变形带和弱变形域内岩石矿物成分主要为黑云母、角闪石、斜长石、钾长石及石英。弱变形域岩石中钾长石、斜长石、石英含量占比相对较高，黑云母含量一般为，随变形程度的增大，强变形带岩石中钾长石含量显著下降，角闪石逐渐退变为黑云母，黑云母含量明显增加，一般为，其中黑云糜棱片岩的黑云母含量高达。表 弱变形域典型岩石的矿物组成岩性矿物成分及含量 黑云母角闪石斜长石钾长石石英其他眼球状黑云斜长片麻岩眼球状黑云斜长片麻岩眼球状黑云角闪斜长片麻岩黑云斜长片麻岩黑云斜长片麻岩斜长角闪岩斜长角闪岩少（方解石）表 强变形带典型岩石的矿物组成岩性矿物成分及含量 黑云母角闪石斜长石钾长石石英其他眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩少眼球状黑云斜长糜棱片麻岩五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究：张光明续表岩性矿物成分及含量 黑云母角闪石斜长石钾长石石英其他黑云斜长糜棱片麻岩（电气石）黑云斜长糜棱片麻岩黑云糜棱片岩黑云糜棱片岩.岩石的膨胀特征取韧性剪切带强变形带岩样，经破碎研磨，比照膨胀土的试验方法进行膨胀性试验，试验结果见表。按相关规范，判定韧性剪切带内岩石为非膨胀性岩土。.韧性剪切带内地温特征在 个深钻孔内进行井温测试，测试结果见图。根据井温数据，地表以下 范围内地温为.，平均地温梯度为.，表明韧性剪切带内地温随深度变化曲线符合正常的地温变化规律。图 井温测试结果表 岩石膨胀性测试结果岩性名称试样数 个自由膨胀率 蒙脱石含量 阳离子交换量（）（）黑云糜棱片岩.隧道围岩级别划分.韧性剪切带岩石强度特征分别对弱变形域和强变形带典型岩石进行单轴抗压强度测试，并获取软化系数，测试结果见表。由表 可知，弱变形域内各岩石单轴饱和抗压强度平均值介于.，按照岩石坚硬程度划分属于硬质岩极硬岩；软化系数为.，属于不易软化类岩石。强变形带内各岩石单轴饱和抗压强度平均值介于.，属较软岩硬岩；软化系数为.，属于易软化类岩石。此外，取斜长角闪岩进行抗拉强度测试，抗拉强度测试 结 果 为.，平 均 抗 拉 强 度 为.，抗拉强度与抗压强度比值为.。韧性剪切带内的片麻岩片理发育，其抗拉强度较斜长角闪岩小。表 岩石强度及软化系数测试结果变形强度弱变形域强变形带岩性名称单轴干燥抗压强度单轴饱和抗压强度试样 个最小值 最大值 平均值 试样 个最小值 最大值 平均值 软化系数 眼球状黑云角闪斜长片麻岩.眼球状黑云斜长片麻岩.黑云斜长片麻岩.斜长角闪岩.黑云斜长糜棱片麻岩.眼球状黑云斜长糜棱片麻岩.黑云糜棱片岩.韧性剪切带岩体完整性测试岩体的完整性指数是评价岩体完整程度的标志，有（）（）式中，为岩体完整性指数；为岩体弹性纵波速度；为岩石弹性纵波速度，一般取现场新鲜岩石的纵波速度。使用 型数字测井仪在 个深孔内进行物探综合测井测试，以研究韧性剪切带岩体的完整性，个钻孔孔深分别为 （）、（）、铁 道 勘 察 年第 期（）、（），各钻孔深部岩体的声波速度见表。工程中，采用 型数字测井仪在钻孔内测得的为岩体声波速度，根据相关文献，岩体的声波速度比地震波速度高约，故认为对 值的影响较小，实际工程中采用声波速度比值。表 不同钻孔内岩体实测声波速度钻孔编号测量深度范围 声波速度（）.经实测，深部岩体完整性指数 主要集中分布在.，见图。按相关规范，岩体完整程度分级以较破碎较完整为主，其中较破碎段落（.）和完整段落（.）仅局部分布在埋深小于 的范围内。可见该地区韧性剪切带内岩体的完整性相对较好，与其他文献中揭示的韧性剪切带岩体完整性有较大区别。图 不同钻孔岩体完整性指数 随深度变化曲线.韧性剪切带的地应力特征采用水压致裂原地应力测量方法在 深的钻孔内进行地应力测试，地应力测试结果见表。表 地应力测量结果测段中心深度 压裂参数 主应力值 孔隙压力 岩石原地破裂压力 破裂面重张压力 破裂面瞬时关闭压力 岩石抗拉强度 最大水平主应力 最小水平主应力 垂向主应力.由表 可知，测量深度范围内（.），最大水平主应力值在.之间，最小水平主应力值在.之间。总体来看，.深度范围内，应力大小以水平应力为主，主应力的关系为，处于为逆断层应力状态；在.深度范围内，应力以垂向应力为主，三向主应力的关系为，处于正断层应力状态。在.和.两个深度段进行水平主应力方向印模测量，破裂方位分别为 和，可见测孔附近最大水平主应力的优势作用方向为北北东。说明该区域受北东向构造运动影响，表现出北东南西向挤压应力，本次测试结果与前人统计五台山地区整体区域应力基本一致。.围岩基本质量指标及围岩分级分别取表 和图 中弱变形域和强变形带典型岩石的单轴饱和抗压强度 和完整性指数 的平均值，计算围岩基本质量指标，并考虑地下水、主要结构面及初始地应力的影响，经修正得到围岩基本质量指标修正值。钻探显示，韧性剪切带附近地下水发育，个别钻孔承压水甚至涌出孔口，故地下水影响系数 按“淋雨状或线流状”取大值；剪切带地层五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究：张光明倾角一般为，按照铁路隧道选线原则，隧道走向与软弱结构面走向大致呈正交，主要软弱结构面产状修正系数 应为.，取平均值.；根据地应力测试结果及岩石饱和抗压强度试验结果，初始地应力影响修正系数 按高地应力区考虑，并取.。根据以上取值，隧道围岩 值及值计算结果见表。计算结果显示，韧性剪切带弱变形域值为，强变形带值为，根据铁路隧道围岩分级标准，韧性剪切带弱变形域围岩以级为主，强变形带隧道围岩为级。表 围岩基本质量指标及修正结果变形带弱变形带强变形带岩性名称 眼球状黑云角闪斜长片麻岩.眼球状黑云斜长片麻岩.黑云斜长片麻岩.黑云斜长糜棱片麻岩.眼球状黑云斜长糜棱片麻岩.黑云糜棱片岩.结论（）剪切带内地层缓倾，由强变形带和弱变形域组成，强变形带内典型岩石为眼球状黑云斜长糜棱片麻岩、眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩、黑云糜棱片岩、黑云斜长糜棱片麻岩等；弱变形域内岩石主要为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩和眼球状黑云（角闪）斜长片麻岩等；岩石的矿物成分主要为黑云母、角闪石、斜长石、钾长石及石英，且随着剪切变形强度的增加，黑云母含量明显增多，钾长石含量显著下降。（）按照岩石坚硬程度划分，弱变形域岩石属于硬质岩极硬岩且不易软化；强变形带岩石为较软岩硬岩，易软化。（）韧性剪切带内岩石膨胀性较小，深部岩体完整性指数主要集中在.，岩体完整程度分级以较破碎较完整为主。（）工程建设范围内，韧性剪切带的平均地温梯度为.，符合正常的地温变化规律；测量深度范围内最大水平主应力值在.之间，最小水平主应力值在.之间，平均最大水平主应力方向为，表现出北东南西向挤压应力。（）弱变形域铁路隧道围岩以级为主，强变形带隧道围岩为级。参考文献 胡玲 韧性剪切带研究现状及发展趋势 地质力学学报，（）：韩珂，杨兴科，何虎军，等 南秦岭汉阴北部金矿田脆韧性剪切带控矿特征及构造变形成矿年代学研究 大地构造与成矿学，（）：吴迪，刘永江，李伟民，等 辽东铀成矿带连山关地区韧性剪切带与铀成矿作用 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