Zastosowanie młotka schmidta w badaniach

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Zastosowanie młotka schmidta w badaniach geomorfologicznych potencjał, ograniczenia i wstępne wyniki badań w sudetach Agnieszka Placek, Piotr Migoń Młotek Schmidta (sklerometr, młotek odbojowy) jest instrumentem zaprojektowanym w 1948 r. do testowania twardości betonu. Zaadaptowany na potrzeby geomorfologii, w warunkach polowych zastępuje z powodzeniem laboratoryjne testy wytrzymałości próbek skalnych na kompresyjne ścinanie jednoosiowe. Mierzy on odległość odboju stalowego pręta uderzającego ze stałą siłą w powierzchnię skały. Ponieważ odpowiedź ośrodka elastycznego jakim jest skała zależy od jego twardości, skorelowanej z wytrzymałością mechaniczną, odbój jest miarą względnej wytrzymałości skały na ściskanie, a pośrednio także stopnia jej zwietrzenia. Wśród zalet omawianego przyrządu na pierwszym miejscu należy postawić jego poręczność wynikającą z niewielkiej wagi i rozmiarów porównywalnych z 1,5 litrową butelką wody. Umożliwia on szybkie uzyskanie dużej (a zatem statystycznie istotnej) ilości wyników, które łatwo mogą być przeliczane na wytrzymałość na ściskanie mierzoną w MPa (Day, Goudie 1977). Ponadto młotek Schmidta jest urządzeniem stosunkowo tanim, a pomiar nie wymaga poboru prób, zatem nie prowadzi do zniszczenia oryginalnej powierzchni skalnej (co jest szczególnie istotne w przypadku badań na obiektach objętych ochroną) i można go dokonać w warunkach naturalnych dla danej skały. Czynniki zaniżające wartości odczytów oraz możliwości ich eliminacji były przedmiotem badań wielu autorów. Wrażliwość urządzenia na obecność nieciągłości w skale podkreśla M.J. Selby (1980), wnioskując iż spękane, gęsto laminowane ośrodki nie mogą być nim wiarygodnie testowane. M.J. Day i A.S. Goudie (1977) dla wyeliminowania nierzetelnych odczytów zalecają dokonywanie pomiarów na możliwie płaskiej, czystej powierzchni, co najmniej 6 cm od krawędzi lub spękań, zmieniając miejsce uderzenia i uśredniając wartości dla minimum odczytów z jednego pola testowego. Odchylenie standardowe nie powinno przekraczać 3 punktów, a górne i dolne 20% pomiarów

2 368 Agnieszka Placek, Piotr Migoń M.J. Selby (1980) zaleca zignorować. Wartości odczytu w zależności od odchylenia młotka od poziomu należy korygować zgodnie z tabelą (Day, Goudie 1977). Wskazane jest używanie tego samego, regularnie kalibrowanego przyrządu. G.G.B. Williams i D.A. Robinson (1983) zwracają uwagę na obniżanie wartości odczytów wraz ze wzrostem szorstkości skały, które tłumaczą zmniejszeniem powierzchni kontaktu odbojnika ze skałą, rozluźnieniem ziaren mineralnych oraz możliwymi zmianami w ich składzie chemicznym spowodowanymi postępującym wietrzeniem. Podnoszą kwestię konieczności wygładzenia powierzchni skalnej przed dokonaniem odczytów i potencjalnych zagrożeń wynikających z takiej procedury (usunięcie skorupy wietrzeniowej istotnej z punktu widzenia przydatności metody do datowania wieku względnego form). D. McCarroll (1989, 1991, 1992), rozpatrując młotek jako alternatywne narzędzie do oznaczania wieku względnego form morenowych, jako podstawowe przyczyny leżące u podstaw błędnej interpretacji wyników definiuje błędy wynikające ze zużycia instrumentu, sposobu doboru prób, porównywania skał różnych litologicznie, heterogeniczności skał powodującej różną wielkość i podatność ziaren na wietrzenie oraz niejednorodną szorstkość powierzchni. Obniżenie wartości odczytów może być także powodowane wilgotnością badanego ośrodka skalnego (Sumner, Nel 2002). Urządzenie było dotychczas wykorzystywane przede wszystkim do rozróżniania materiału o różnym stopniu zwietrzenia w celu określenia względnego wieku kolejnych osadów polodowcowych (m.in. Matthews, Shakesby 1984; McCarroll 1989, Sjöberg, Broadbent 1990; Kotarba i in. 2002) lub szacowania wpływu niwacji na właściwości skał (Ballantyne i in. 1989, 1990; Hall 1992). Zróżnicowany stopień zwietrzenia skał o jednakowej litologii był korelowany z wysokością wyniesienia izostatycznego wybrzeży Szwecji i obierany jako punkt wyjściowy w badaniach archeologicznych (Sjöberg, Broadbent 1991), jak również używany dla oceny stopnia zagrożenia obiektów sztuki naskalnej (Campbell 1991). K. Ericson (2004) za pomocą sklerometru badała zróżnicowanie twardości powierzchni form granitowych przemodelowanych przez różne procesy egzogeniczne. W klimatach ciepłych młotek Schmidta wykorzystywano do określania pionowej zmienności twardości skorup wapiennych (Yaalon, Singer 1974, za: Williams, Robinson 1983) a także testowano jego użyteczność w określaniu względnego wieku różnych generacji stożków napływowych (White i in. 1998). Jak wynika z przeglądu literatury, młotek Schmidta jest przyrządem znanym i używanym w geomorfologii od dość dawna, jednakże pewne aspekty jego zastosowania pozostają niedoceniane. Podczas gdy główny nurt zastosowań skupia się wokół określania różnic w stopniu zwietrzenia jednorodnego litologicznie materiału skalnego, to użycie młotka do oceny kompleksowego wpływu odporności na rozwój rzeźby obszarów o zróżnicowanej litologii, mimo iż postulowane od dawna (Selby 1980), jest podejściem stosunkowo rzadko stosowanym (Synowiec, Migoń 2002; Dickson i in. 2004). Tymczasem urządzenie to kryje spory potencjał w zakresie rozwiązywania problemów geomorfologii strukturalnej. Dostarczając bardziej zobiektywizowanej informacji o skałach niż dotychczas stosowana ekspresja krajobrazowa, umożliwia on ich względne rangowanie pod względem odporności, co pozwala na uszczegółowienie informacji na temat związków między wskaźnikami morfometrycznymi form rzeźby a odpornością budujących je formacji skalnych. Młotek Schmidta daje zatem szansę weryfikacji

3 Zastosowanie młotka Schmidta w badaniach geomorfologicznych wysuwanych wcześniej intuicyjnie hipotez i odpowiedzi na pytanie, czy rzeczywiście skały uważane za twardsze takimi są oraz w jakim stopniu obserwowany krajobraz jest wynikiem zróżnicowanej odporności skał. Zafałszowanie obrazu rzeczywistych związków pomiędzy rzeźbą a strukturą może być powodowane np. nieuwzględnieniem faktu, że nachylenie stoków zależne jest nie tylko od twardości budujących je skał, lecz także od odległości od linii drenażu. Badania na tym polu mogą także pomóc w rozważaniach nad określeniem znaczenia, jakie odgrywa wielkość wychodni i jej bezpośrednie sąsiedztwo w porównaniu z twardością skały, oraz w precyzyjniejszym określaniu przyczyn zmian w wyrazie morfologicznym krawędzi strukturalnych. Powyższe założenia realizowane są w trakcie badań prowadzonych na obszarze Sudetów, zmierzających do w miarę obiektywnego przedstawienia zróżnicowania odpornościowego skał, a także zróżnicowania w obrębie pojedynczych typów litologicznych i jego przyczyn (Synowiec, Migoń 2002; Adam, Migoń 2004; Adam 2004). Średnia wytrzymałość skał sudeckich w stanie możliwie nie zwietrzałym różnicuje się niemal trzykrotnie, od wskazań rzędu punktów dla słabo zlityfikowanych i cienko uławiconych piaskowców wapnistych górnej kredy po wskazania powyżej 70 dla ryolitów Gór Kamiennych i bazaltów Pogórza Kaczawskiego. Wśród skał osadowych najwyższą wytrzymałością cechują się masywne, kwarcowe piaskowce górnej kredy, dla których średnie wartości wskazań sięgały nawet 60, a więc były wyższe od większości testowanych skał magmowych i metamorficznych. W dotychczasowych badaniach występowanie wyraźnych kuest i stoliw w obrębie piaskowców kredowych tłumaczono głównie ich cechami hydrogeologicznymi i rzadką siecią spękań (Jahn 1980), jednak okazują się one także bardzo wytrzymałe pod względem mechanicznym. Z geomorfologicznego punktu widzenia równie istotne jest zróżnicowanie wytrzymałości w obrębie jednego typu skały. Przykładowo, wskazania dla gabra Ślęży różnicowały się od 38 do 58, aczkolwiek nie zaobserwowano żadnej tendencji do wzrostu lub spadku tych wartości wraz z wysokością. W przeciwieństwie do tego, odczyty dla piaskowców kwarcowych środkowego turonu na północnym progu Gór Stołowych wykazywały systematyczny wzrost w kierunku północno-wschodnim, od po 50-52, zbieżny ze wzrostem wysokości i krętości progu oraz wzrastającym udziałem urwisk skalnych w jego obrębie (Zwiernik 2004). W mikroskali wyraźne różnice w wytrzymałości stwierdzono w obrębie grzybów skalnych, m.in. w Kotlinie Krzeszowskiej. Poważnym problemem metodycznym jest ocena wytrzymałości granitów, których chropowate powierzchnie nawet w ścianach kamieniołomów wyraźnie zaniżają odczyty, powodując także ich znaczny rozrzut na niewielkich powierzchniach. Podobne problemy dotyczą innych skał gruboziarnistych, jak gabro i niektóre odmiany gnejsów. Badania prowadzone w Sudetach potwierdziły znaczny wpływ cech powierzchni skały na wynik pomiaru, co może w istotny sposób utrudniać wiarygodne określanie względnej chronologii form akumulacyjnych, poddanych długotrwałemu wietrzeniu. Praca wykonana w ramach grantu KBN 3 P04E

4 370 Agnieszka Placek, Piotr Migoń Literatura Adam A., 2004, Rzeźba strukturalna Pogórza Kaczawskiego i północno-wschodniej części Pogórza Izerskiego, Przyroda Sudetów, 7, Adam A., Migoń P., 2004, Lithological control in the geomorphic evolution of the Sudetes Mountains, Central Europe. Regional approach using Schmidt Hammer-derived rock strength data, [w:] 32 nd International Geological Congress, Florence, Italy, August 2004, Abstracts, 2, Ballantyne C.K., Black N.M., Finlay D. P., 1989, Enhanced boulder weathering under late-lying snow patches, Earth Surf. Proc. Landf., 14, Ballantyne C.K., Black N.M., Finlay D.P., 1990, Use of the Schmidt test hammer to detect enhanced boulder weathering under late-lying snow patches, Earth Surf. Proc. & Landf., 15, Campbell I.A., 1991, Classification of rock weathering at Writing-On-Stone Provincial Park, Alberta, Canada: a study in applied geomorphology, Earth Surf. Proc. & Landf., 16, Day M.J., Goudie A.S., 1977, Field assessment of rock hardness using the Schmidt test hammer, British Geomorphological Research Group. Technical Bull., 18, Dickson M.E., Kennedy D.M., Woodroffe C.D., 2004, The influence of rock resistance on coastal morphology around Lord Howe Island, Southwest Pacific, Earth Surf. Proc. & Landf., 29, Ericson K., 2004, Geomorphological surfaces of different age and origin in granite landscapes: an evaluation of the Schmidt hammer test, Earth Surf. Proc. & Landf., 29, Hall K., 1992, Enhanced bedrock weathering association with late-lying snow patches: evidence from Livingston Island, Antarctica, Earth Surf. Proc. & Landf., 18, Jahn A., 1980, Główne cechy i wiek rzeźby Sudetów, Czas. Geogr., 51, Kotarba A., Król K., Rutkowski J., 2002, Zastosowanie młotka Schmidta do badania granitów Tatrzańskich, [w:] VI Zjazd Geomorfologów Polskich: Środowiska górskie ewolucja rzeźby, Jelenia Góra września 2002, Streszczenia referatów i posterów, Matthews J., Shakesby R., 1984, The status of the Little Ice Age in southern Norway: relative age-dating of neoglacial moraines with Schmidt hammer and lichenometry, Boreas, 13, McCarroll D., 1992, A new instrument and techniques for the field measurement of rock surface roughness, Z. Geomorph. N. F. 36, McCarroll D., 1989, Potential and limitations of the Schmidt hammer for relative age dating: field tests on Neoglacial moraines, Jotunheimen, southern Norway, Arctic Alpine Res., 21, McCarroll D., 1991, The Schmidt hammer, weathering and rock surface roughness, Earth Surf. Proc. & Landf., 16, McCarroll D., 1989, Potential and limitations of the Schmidt hammer for relative age dating: field tests on Neoglacial moraines, Jotunheimen, southern Norway, Arctic Alpine Res., 21, Selby M. J.,1980, A rock-mass strength classification for geomorphic purposes: with tests from Antarctica and New Zealand, Z. Geomorph. N.F., 24,

5 Zastosowanie młotka Schmidta w badaniach geomorfologicznych Sjöberg R., Broadbent N., 1991, Measurement and calibration of weathering processes and lichenometric investigations on wave washed moraine, Bådamalen, on the upper Norrland coast, Sweden, Earth Surf. Proc. & Landf., 16, Sumner P., Nel W., 2002, The effect of rock moisture on Schmidt hammer rebound: tests on rock samples from Marion Island and South Africa, Earth Surf. Proc. & Landf., 27, Synowiec G., Migoń P., 2002, Rzeźba strukturalna Sudetów Środkowych, Przyroda Sudetów Zachodnich, Zeszyt Specjalny, White K., Bryant R., Drake N., 1998, Techniques for measuring rock weathering: application to a dated fan sequence in southern Tunisia, Earth Surf. Proc. & Landf., 23, Williams R.B.G, Robinson D.A., 1983, The effect of surface texture on the determination of the surface hardness of rock using the Schmidt hammer, Earth Surf. Proc. & Landf., 8, Yaalon D., Singer S., 1974, Vertical variation of strength and porosity of calcrete (nari), Shefala, Israel, and interpretations of its origin, Journ. Sediment. Petr., 44, Zwiernik M., 2004, Północno-wschodnia krawędź Gór Stołowych w świetle parametrów morfometrycznych i badań wytrzymałości skał, praca magisterska, Zakład Geomorfologii, Uniw. Wrocławski, ss. 88. Agnieszka Placek Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego Uniwersytet Wrocławski Pl. Uniwersytecki Wrocław Piotr Migoń Instytut Geografii i Rozwoju Regionalnego Uniwersytet Wrocławski Pl. Uniwersytecki Wrocław

6