Badania mineralogiczne deformowanych skał w sąsiedztwie uskoku

Transkrypt

1 Maciej PAWLIKOWSKI, Zenon PILECKI Polska Akademia Nauk IGSMiE, Kraków Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Badania mineralogiczne deformowanych skał w sąsiedztwie uskoku Streszczenie Przedstawiono badania mineralogiczne łupków i piaskowców deformowanych w sąsiedztwie uskoku. Przeprowadzono ocenę deformacji struktur i tekstur tych skał wyróżniając takie rodzaje mikrodeforma-cji jak: mikroszczelinki wypełnione, mikroszczelinki otwarte, mikropoślizgi. Podkreślono, że mikroszcze-linki otwarte mogą wskazywać na uaktywnienie się uskoku. Zauważono także, że większość mikroznisz-czeń występuje w skrzydłach zrzuconych uskoków. Badania przeprowadzono w pokładzie 505 w KWK Jas-Mos. 1. Wprowadzenie Uskokiem nazywamy nieciągłość w ośrodku skalnym z wyraźnym przesunięciem mas skalnych wzdłuż jej powierzchni. Inaczej, uskok jest wynikiem procesu ścinania z wyraźnym poślizgiem (Dadlez i Jaroszewski 1994). Proces tworzenia się uskoku może się dokonać na dwa sposoby. Pierwszy polega na zniszczeniu ze ścinania ośrodka pierwotnie ciągłego, a drugi przez poślizg wzdłuż istniejącej powierzchni nieciągłości. W rzeczywistości uskoki najczęściej są wynikiem obu procesów. W ujęciu fizycznym na poziomie szczegółowym, proces zniszczenia w ośrodku skalnym może przebiegać krucho-plastycznie. Proces ten zachodzi w odpowiednich warunkach, w których dyslokacje mogą propagować równie łatwo jak pęknięcia. Pękanie jest związane ze wzrostem objętości i pokonaniem tarcia wewnętrznego w wyniku wzrostu naprężenia. W szczytach pęknięć z powodu istniejących tam wysokich naprężeń zwykle zachodzi płynięcie plastyczne. Płynięcie to prowadzi do rozwoju pęknięcia z jednej strony, a z drugiej do stabilizacji tego procesu w wyniku redukcji koncentracji naprężeń. Natomiast poślizg nie jest związany ze zmianą objętości jednakże zależy od temperatury i naprężenia. Proces złożony z pękania wewnętrznego i poślizgu opisany przez charakterystykę odkształcenie naprężenie nazywany jest kataklastycznym płynięciem. W przypadku ośrodków uziarnionych i porowatych, kataklastyczne płynięcie może mieć charakter kruchego pękania i poślizgu. Proces ten prowadzi do dylatancji ośrodka i w dużym stopniu zależy od wytrzymałości materiału, co odróżnia go od procesu w pełni plastycznego. Przemieszczanie się płaszczyzn uskokowych względem siebie skutkuje powstaniem strefy rozciągania i ściskania (rys. 1.1). Rozciąganie powoduje otwarcie istniejących pęknięć i dalszy rozwój procesu pękania wzdłuż płaszczyzny poślizgu. Ściskanie, w zależności od stanu naprężeń, prowadzi do ścinania. 181

2 M. PAWLIKOWSKI, Z. PILECKI - Badania mineralogiczne deformowanych skał... Rozciąganie Ściskanie Rys. 1.1 Sposób tworzenia się stref rozciągania i ściskania wzdłuż płaszczyzny poślizgu (Nicolas 1987) P R T 1 Według Nicolasa (1987) w strefie rozciągania trajektoria naprężenia głównego 1 zakrzywia się i zmierza w kierunku prostopadłym do płaszczyzny uskoku. W części ze ściskaniem trajektoria 1 zakrzywia się w kierunku zbliżonym do równoległego do płaszczyzny uskokowej. Orientacja pęknięć jest kontrolowana przez lokalną rotację 1 w strefie uskokowej stąd rozwojowi głównego pęknięcia uskoku towarzyszą pęknięcia wtórne o orientacji schematycznie przedstawionej na rysunku 1.2. Pęknięcia wtórne powstają ze ścinania jak i z rozciągania. Badania przedstawione w niniejszym artykule mają na celu ocenę deformacji skał w ujęciu szczegółowym - mikroskopowym - w sąsiedztwie uskoku. Analizowano sytuację z pokładu węgla kamiennego 505 w KWK Jas-Mos. 1 Rys. 1.2 Schemat rotacji naprężenia głównego 1 w sąsiedztwie uskoku i sposób inicjowania wtórnych pęknięć T (z rozciągania), P i R (ze ściskania), (Nicolas 1987) 182

3 2. Sposób przeprowadzenia badań Skały opróbowano w strefie uskoków tektonicznych o przebiegu N-S w otoczeniu pokładu 505 w KWK Jas-Mos (rys. 2.1). Badaniom poddano 30 próbek skał zlokalizowanych w sposób pokazany schematycznie na rysunku 2.2. chodnik transportowy Z1,Z2 - odcinek ociosu z którego pobrano próby 10 m chodnik taśmowy I rozcinka śc.46-z Rys.2.1 Szkic rejonu badań w pokładzie 505 w KWK Jas-Mos Przeznaczone do badań próbki reprezentowały skały zestawione w tablicy 3.1. Badania obejmowały analizy mineralogiczno-petrograficzne skał ze szczególnym uwzględnieniem systemów deformacji związanych ze zjawiskami tektonicznymi. W preparatach mikroskopowych zliczano ilość deformacji trwałych. Wykonanie preparatów mikroskopowych poprzedzono koniecznym wzmocnieniem ich struktury poprzez utwardzanie za pomocą polimeryzujących żywic akrylowych. Po utwardzeniu materiał cięto na pile diamentowej szlifowano na proszkach korundowych oraz papierach szlifierskich, a następnie polerowano z wykorzystaniem tlenku glinu. Preparaty do badań nakrywano szkiełkiem nakrywkowym i suszono w suszarce próżniowej w temperaturze 40 C. Badania przeprowadzono za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego Polmi A (produkcji niemieckiej) oraz Nikkon 120 (produkcji japońskiej). Stosowano powiększenia od 60 do 400 x, a obserwo-wane zjawiska dokumentowano mikrofotografiami. Badania mikroskopowe mikroszczelinek i płaszczyzn poślizgu pozwoliły na obserwacje i zliczanie obiektów o wymiarach nie mniejszych niż 2-4 mikrometry. Płaszczyzny poślizgu obejmowały strefy zaburzeń o minimalnej średnicy do 5 mikrometrów. 183

4 M. PAWLIKOWSKI, Z. PILECKI - Badania mineralogiczne deformowanych skał... h=1,0m 80 o h=0,8m S N iłowiec h=1,2-2,2m h=0,8m h=3,0m o iłowiec + piaskowiec obwał węgiel węgiel mułowiec Rys. 2.2 Przekrój geologiczny strefy uskokowej objętej badaniami z zaznaczonymi miejscami pobrania próbek (w kółkach) 184

5 3. Wyniki badań Obserwacje mikroskopowe pozwoliły wyróżnić następujące główne rodzaje mikrodeformacji w badanych skałach: mikroszczelinki wypełnione, mikroszczelinki otwarte, mikropoślizgi. Wyniki zliczania w szlifach mikroskopowych ilości mikrodeformacji w skałach otaczających uskoki zestawiono w tabeli 3.1 oraz przedstawiono graficznie na rysunku 3.1. Tabela 3.1 Ilość mikrodeformacji w skałach w szlifach mikroskopowych w przeliczeniu na 1000 zliczeń (analiza punktowa) Numer Rodzaj skały M z M o M próbki 1 ciemnoszary łupek mułowcowaty z różnokierunkowymi lustrami tektonicznymi ciemnoszary łupek mułowcowy z licznymi, różnokierunkowymi lustrami tektonicznymi ciemnoszary łupek mułowcowy z licznymi, różnokierunkowymi lustrami tektonicznymi ciemnoszary łupek ilasty, nieco mułowcowaty miejscami zbrekcjonowany z licznymi różnokierunkowymi lustrami tektonicznymi oraz powierzchniową mineralizacją kalcytową oraz okruchami węgla. 5 ciemnoszary łupek ilasty zbrekcjonowany z okruchami węgla ciemnoszary łupek ilasty, miejscami zbrekcjonowany z licznymi, różnokierunkowymi lustrami tektonicznymi oraz powierzchniową mineralizacją kalcytową 7 ciemnoszary mułowcowaty łupek ilasty zbrekcjonowany z okruchami węgla ciemnoszary mułowcowaty łupek ilasty zbrekcjonowany z okruchami węgla ciemnoszary mułowcowaty łupek ilasty zbrekcjonowany z okruchami węgla szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi szary łupek ilasty z licznymi lustrami tektonicznymi ciemnoszary mułowiec o słabo zaznaczonej teksturze kierunkowej ciemnoszary łupek ilasto-mułowcowy ciemnoszary mułowiec o bezładnej teksturze ciemnoszary łupek ilasty zawierający wtrącenia kalcytowe łupek mułowcowaty szary z licznymi lustrami tektonicznymi oraz powierzchniową mineralizacją kalcytową 21 szary zlustrowany tektonicznie łupek ilasto-mułowcowaty szary piaskowiec mułowcowaty, drobnoziarnisty ze śladowo zaznaczającą się teksturą równoległą 23 ciemnoszary łupek mułowcowaty ciemnoszary łupek mułowcowaty szary piaskowiec drobnoziarnisty o równoległej teksturze szary mułowcowaty piaskowiec drobnoziarnisty szary mułowcowaty piaskowiec drobnoziarnisty szary mułowcowaty piaskowiec drobnoziarnisty ciemnoszary łupek mułowcowaty ciemnoszary łupek z domieszką materiału mułowcowatego Mz - mikroszczelinka wypełniona, Mo - mikroszczelinka otwarta, C- mikropoślizg 185

6 M. PAWLIKOWSKI, Z. PILECKI - Badania mineralogiczne deformowanych skał... 4 mikroszczelina wypełniona 3 mikroszczelina otwarta mikropoślizg ilość elementów h=3m h=1m h=0,8m h=1,2-2,2m odległość [m] Rys. 3.1 Wykresy zmienności analizowanych mikrostruktur w zależności od położenia w strefie uskokowej Obserwacje i pomiary ilościowe wskazują, że w badanych obszarach przyuskokowych dominują mikroszczelinki wypełnione głównie minerałami ilastymi (kaolinit), w mniejszym stopniu kalcytem oraz mikropoślizgi (fot. 3.1 i 3.2). Znacznie mniej jest tu mikroszczelinek otwartych, a więc aktywnych (fot. 3.3). Fot. 3.1 Zdeformowane mikropęknięcie (strzałki) wypełnione wtórnym kaolinitem. Próbka 16. Mikroskop polaryzacyjny, polaroidy X, powiększenie 120 x 186

7 Fot. 3.2 Mikropoślizg (mikrouskok). Strzałkami zaznaczona płaszczyzna deformacji. Próbka 3. Mikroskop polaryzacyjny, polaroidy X, powiększenie 120 x Fot. 3.3 System otwartych mikropęknięć w pobliżu uskoku (strzałki). Próbka 5. Mikroskop polaryzacyjny, polaroidy X, powiększenie 120 x 187

8 M. PAWLIKOWSKI, Z. PILECKI - Badania mineralogiczne deformowanych skał... Te ostatnie lokują się głównie w południowej części strefy uskokowej. Może to sugerować możliwość ponownego uruchomienia tego uskoku w niedługim czasie. Wykres zmienności mikrozniszczeń w zależności od położenia w strefie uskokowej wskazuje na dominujący wpływ skrzydła zrzuconego uskoków na ich występowanie. Należy również zauważyć, że obraz ten jest zniekształcony występowaniem sekwencji uskoków. 4. Podsumowanie W analizowanym ośrodku nakładają się na siebie zjawiska geologiczne, mineralogiczne i geochemiczne pochodzące z różnych okresów geologicznych. Pierwsze z nich dotyczą karbonu. Zjawiska te określają warunki sedymentacji badanych skał. Z analiz wynika, że tworzącemu się pokładowi węgla 505 towarzyszyła sedymentacja drobnoziarnistego materiału ilastego zawierającego głównie kaolinit. Wskazuje to na kwaśne środowisko sedymentacji związane z procesami gnilnymi butwiejących tkanek roślinnych. Tak tworzącym się iłowcom towarzyszyła sedymentacja mułowców i drobnoziarnistych piaskowców wykazujących teksturę równoległą - mikrolaminację - podkreśloną obecnością substancji węglistej. W trakcie diagenezy iłowce przeobraziły się w łupki ilaste, mułki w mułowce, a drobnoziarniste piaski w piaskowce. Drugi, trwający do dzisiaj etap obejmuje zjawiska tektoniczne. Zjawiskom tym towarzyszyła kaolinitowa i kalcytowa mineralizacja stref uskokowych i przyuskokowych. Roztwory niosące kaolinit i kalcyt migrowały zarówno głównymi pęknięciami tektonicznymi jak i siecią pęknięć towarzyszących w tym także strefami luster tektonicznych w łupkach ilastych, mułowcach i piaskowcach. Analizowane łupki ilaste posiadają skład mineralny oraz strukturę i teksturę wyjątkowo sprzyjającą deformacjom, a zwłaszcza poślizgom. Są to skały zachowujące się jak materiał smarujący dla przesuwających się bloków tektonicznych. Przykład luster tektonicznych odpowiadających mikropoślizgom obserwowanych w łupkach ilastych sugeruje występowanie w rejonie uskoków nie tylko ruchów pionowych, lecz także poziomych. Nie wiadomo jednak, czy ruchy te współwystępują ze sobą w jednym akcie tektonicznym, czy też następowały jedne po drugich. Inne skały znajdujące się w pobliżu uskoków takie jak mułowce i piaskowce wykazują obecność jedynie niewielkich deformacji. Obserwacje dowodzą, że podczas procesów tektonicznych skały te zachowywały się sztywno, a w stanie przekroczenia ich wytrzymałości podlegały deformacjom trwałym. Szczelinami tektonicznymi badanych uskoków migrowały roztwory z których osadzał się kaolinit oraz wtórnie krystalizował kalcyt. Roztwory z których krystalizował kaolinit były kwaśne zaś roztwory z których krystalizował kalcyt, alkaliczne o ph > 7.5. Geneza tych roztworów jest nieznana i trudno obecnie powiedzieć czy pochodziły one z wód zstępujących (z góry) czy też z wód wstępujących, migrujących z głębszych partii złoża. W skałach, zwłaszcza w mułowcach i łupkach mułowcowych, w południowej części strefy uskokowej zaobserwowano niewielką ilość otwartych szczelin. Może to sugerować wznowienie aktywności tektonicznej w tej strefie. Wstępne badania wskazują, że większość mikrozniszczeń występuje w skrzydłach zrzuconych uskoków w strefie ściskania. Podziękowania: Autorzy dziękują pracownikom Kopalni Jas-Mos w pozyskaniu materiału badawczego. za udzieloną pomoc 188

9 Literatura [1] Dadlez R. i Jaroszewski W. 1994: Tektonika. Wyd. PWN, Warszawa. [2] Nicolas A. 1987: Principles of rock deformation. Reidel Publishing Company, Dordrecht. Dodatek Z wytypowanych skał - próbka 5 i 9 - wykonano cegiełki, które wypalono w celu wstępnego sprawdzenia możliwości wykorzystania skał towarzyszących węglom kamiennym do produkcji cegieł. Wypał prowadzono przez 4 godziny w temperaturze 750 o C. W wyniku podjętej próby uzyskano materiał, który w powierzchownej ocenie wskazuje na przydatność kaolinitowych skał ilasto-mułowcowych do produkcji cegły nawet o cechach cegły ogniotrwałej. Szczegółowe dopracowanie tego zagadnienia wymaga jednak szerszych badań mineralogiczno-petrograficznych oraz technologicznych. Potencjalna możliwość wykonywania cegieł ze wspomnianych skał stwarza możliwość zagospodarowania części odpadów powstałych przy wydobyciu węgla oraz dodatkowego wykorzystania do wypału własnego pyłu węglowego. Pozwoliłoby to także na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska pochodnymi po utlenianiu pirytu w hałdach powęglowych (kwas siarkowy i in.). The mineralogical investigations of deformed rock in a fault zone The paper presents the results of mineralogical investigations of deformed shale and sandstone in neighbourhood of a fault. As a result of analysis of rock structure some microdeformations were classified like filled microfractures, opened microfractures and microslips. Some conclusions on different conditions accompanying of microdeformation forming were derived. It was underlined that opened microfractures may point out on activity of the fault. The most of microdeformations were localised in thrown sides of the faults. The investigations were carried out in 505 coal seam in JAS-MOS coal mine. 189