توده سنگ های رسوبی و پدیده گسستگی

توده سنگ های رسوبی و پدیده گسستگی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه زمین شناسی – منابع طبیعی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

۵- توده سنگ­های رسوبی و پدیده گسستگی

۵-۱٫ توده سنگ و گسستگی

۵-۱-۱٫ مقدمه

یکی از برجسته­ترین ویژگی­های پوسته فوقانی زمین وجود درزه­ها / رگه­ها و شکستگی ها در مقیاس های کلی و مختلف می باشد. این شکستگی­ها و درزه­ها معمولاً تحت عنوان گسستگی خوانده می­شوند. یک توده سنگ شامل بلوک­های سنگی و گسستگی­ها می­باشد. یک بلوک/ماتریس سنگی و یک توده سنگ از نقطه نظر رفتارهای ژئومکانیکی / زمین مکانیکی دارای تفاوت های معنی داری می باشند. تقریباً هرگونه ویژگی فیزیکی سنگ رسوبی (نظیر خواص مکانیکی، هیدرولیکی، گرمایی و رسانایی الکتریکی و همچنین خواص صوتی) به میزان خاصی، در شکستگی ها و سیالات حاوی آنها، قابل تشخیص نیز می­باشد. موفقیت هر نوع برنامه­های کاربردی نظیر بازیافت کارامد یا مؤثر از معادن دارای شکستگی، دفع ضایعات خطرناک و استخراج انرژی زمین گرمایی منوط به درک کامل رفتار شکستگی می­باشد. بسیاری از مخازن نفتی و رگه­­های زغال سنگ در سازندهای متخلخل شکسته قرار دارند. بنابراین، قبل از انجام هرگونه مهندسی سنگ، لازم است تا از خواص هندسی و مکانیکی شکستها و توده سنگ از نقطه نظر تست های آزمایشگاهی و میدانی همانند هندسه، موقعیت، جهتگیری، گوناگونی های مربوط به روزنه / دهانه و خواص سیالی- مکانیکی شکستگی ها و توده سنگ اطلاع داشته باشیم.

گسستگی­ها را می­توان به عنوان مهمترین عامل حاکم بر تغییر شکل پذیری، مقاومت و نفوذپذیری توده سنگ در نظر گرفت. به علاوه، یک گسستگی مخصوصاً بزرگ و پایدار می­تواند به میزان قابل توجهی بر روی ثبات هرگونه حفاری زیرزمینی تأثیر گذار باشد (Hudson و Harrison، ۱۹۹۷). به همین دلیل، لازم است تا درک کاملی از خواص ژئومکانیکی گسستگی ها و توده سنگ­ها داشته باشیم و روشی که بر مبنای آن این گسستگی­ها بر روی مهندسی زمین شناسی تأثیر می­گذارند را به خوبی درک کنیم.

۵-۱-۲٫ گسستگی­ها

لایه بندی

چندین نوع مختلف گسستگی ها در سازندهای سنگی وجود دارند. لایه بندی یکی از شایع ترین پدیده­های زمین شناسی در مبحث سنگ های رسوبی می­باشد. سطح لایه بندی یا سطح مشترک بین دو لایه در توده سنگ رسوبی از نقطه نظر زمین شناختی معرف سطح رابط انتقالی یا تراگذر از یک محیط رسوبی به محیط دیگر می­باشد و این مورد همچنین معرف یک ازهم گسیختگی سطوح رسوبی است. سطح لایه بندی به عنوان یک سطح ضعیف به شمار می­آید که غالباً متشکل از توده ها یا ذرات گیاهی، میکا، و دیگر مواد معدنی ضعیف می باشد. بنابراین، این مورد غالباً از نقطه نظر مکانیکی به عنوان یک سطح ضعیف به شمار می­آید.

ناپیوستگی

سطح ناپیوستگی به عنوان سطحی به شمار می­آید که معرف نوعی گسیختگی در ارتباط با سوابق زمین شناختی می­باشد، که در آن واحد سنگی که سریعاً بالای آن قرار می­گیرد به میزان قابل توجهی جوان تر از سنگ زیرین خواهد بود. در این مورد سه ویژگی اصلی را می­بایست مدنظر قرار داد.

1. زمان. یک ناپیوستگی در طی بازه­ای از زمان توسعه می­یابد که در آن هیچ گونه رسوبی ته نشست نشده است.

2. ته نشینی. هر گونه وقفه در فرآیند ته نشینی یا نهشت به عنوان یک ناپیوستگی به حساب می­آید.

3. ساختار. از نقطه نظر ساختاری، ناپیوستگی ممکن است در ارتباط با ساختارهای مسطح باشد که در آن سنگ­های قدیمی تر زیر از سنگ های جوان تر فوقانی جدا می شوند.

یک سطح ناپیوستگی را می­توان به عنوان سطح ناشی از ویژگی های هوازدگی، فرسایش، یا برهنه شدگی خاک، یا یک سطح غیر رسوبی، یا احتمالاً ترکیبی ازاین عوامل دانست. این مورد ممکن است به صورت موازی با لایه های فوقانی باشد و سبب ایجاد زاویه­ای با لایه­های فوقانی گردد یا آنکه به صورت نامتعارف و بی قاعده باشد. حرکت های متعاقب زمین ممکن است سبب چین خوردگی یا گسلش آن شود. بنابراین، رفتارهای مکانیکی سنگ در اطراف یا در امتداد سطوح ناپیوسته بسیار متغییر و مختلف خواهند بود.

توده سنگ های رسوبی و پدیده گسستگی

لایه ضعیف

یک لایه ضعیف در توده سنگ رسوبی به عنوان لایه­ای با مقاومت بسیار ضعیف به حساب می­آید. ساختار سنگ غالباً در این لایه با شکست مواجه می­شود. بنابراین، سطح ضعیف نقش مهمی را در ثبات مهندسی سنگ بازی می­کند.

سطح ساختاری تکتونیک

سطح ساختاری تکتونیک شامل گسل ها، شکستگی ها و گسستگی های دیگر می­باشد که بوسیله فعالیت های تکتونیک ایجاد می­شود.

۵-۲٫ خواص مکانیکی سنگ­های آواری

خواص مکانیکی سنگ­های آواری تحت تأثیر عوامل بیرونی نظیر وضعیت تنش و محیط زمین شناختی مجاور نمی­باشد، بلکه اکیداً منوط به محیط­های رسوبی و نهشتی، شامل مؤلفه ها، بافت­ها و ساختارهای سنگ هستند. بنابراین مطالعه خواص مکانیکی سنگ­های آواری برای صنعت انرژی مهم می­باشد که علت آن را می­توان در وجود نفت و گاز و همچنین زغال سنگ برشمرد که در این گونه از سنگ­ها یافت می شوند. (Peng و Meng، ۲۰۰۲) تا همین اواخر غالب تحقیقات در زمینه ریز ساختار سنگ و رفتار دفرمه شدگی  و مقاومت آن به طور عمده بر روی سنگ­های گرانیتی و دیگر سنگ­های سخت متمرکز بوده است. بنابراین، ارتباطات بین ویژگی های رسوبی و خواص مکانیکی سنگ های آواری را می­بایست مورد خطاب قرار داد، مخصوصاً آن دسته از سنگ­های صافی یا نرم همانند مادستون و شیل (Peng، ۱۹۹۸).

۵-۲-۱٫ مهیا سازی نمونه و روش­های آزمایشی

نمونه­های سنگ از لایه­های سقف و کف رگه­های اصلی زغال سنگ در طبقات زغال خیز پرمیان در معدن زغال سنگ Xinji، حوزه زغال سنگ Huainan در چین به دست آمد. به منظور تحصیل نتایج آزمایشی که تا حد ممکن با وضعیت طبیعی سازگار باشند، نمونه­های سنگ فوراً پس از به دست آمدن دسته بندی و کاملاً پوشیده و اندود شدند. طرح های آزمایشگاهی جهت تست خواص مکانیکی، مشاهده ریز ساختار برش های سنگ با استفاده از میکروسکوپ نوری و آنالیز اجزای معدنی و شیمیایی ۵۵ نمونه به کار گرفته شدند. تحلیل های کمی آماری در ارتباط با این نتایج انجام گردیدند.

۵-۲-۲٫ حجم سنگ آواری در برابر خواص مکانیکی سنگ

تحلیل های آماری نتایج تجربی نشان دهنده آن هستند که خواص مکانیکی به میزان زیادی مرتبط با حجم یا محتویات دانه های کلاستیک یا آواری و همچنین کوارتز در سنگ های آواری می­باشند. در این تحقیق، کلاست هایی که قطر دانه آنها بیش از ۰۳/۰ میلیمتر (scale < 5 ) هستند به حساب می آیند، که تحت عنوان حجم ذرات خوانده می شوند. جدول ۵-۱ مشخص کننده خواص مکانیکی سنگ های رسوبی است که دارای حجم ها یا محتویات مختلفی از ذرات می باشند. این امر معرف آن است که خواص مکانیکی سنگ های آواری در حد زیادی متفاوت هستند. با این وجود، خط مشی کلی آن است که میانگین مقاومت تراکمی تک محوری و ضریب کشسانی به هنگامی افزایش خواهد یافت که حجم ذرات نیز افزایش یابد.

۵-۲-۳٫ اندازه دانه سنگ­های آواری در برابر خواص مکانیکی سنگ­ها

نتایج تجربی نشان­دهنده آن هستند که خواص مکانیکی سنگ­های آواری به میزان زیادی مرتبط با بافت آنها می­باشد. پارامترهای بافتی که به طور قابل توجهی بر روی خواص مکانیکی تأثیرگذار هستند عبارتند از: اندازه دانه، سیمانی شدگی بین دانه­ها و نوع سیمانی شدگی در کلاست. جدول ۵-۲ نشان دهنده نتایج تجربی خواص مکانیکی سنگ برای سنگ­های آواری مختلف با اندازه­های دانه­ای متفاوت می­باشد. این مورد را می­توان مشاهده نمود که پراکندگی بین خواص مکانیکی و اندازه­های دانه بسیار زیاد است، که خود معرف آن می­باشد که اندازه دانه را نمی­توان به عنوان تنها فاکتور جهت کنترل خواص مکانیکی در نظر داشت.

۵-۲-۴٫ سنگ شناسی سنگ­های آواری در برابر خواص مکانیکی سنگ­ها

آزمایش تراکم تک محوری

نتایج تراکم تک محوری (جدول ۵-۳) نشان دهنده آن می­باشد که خواص مکانیکی در سنگ­های آواری مختلف (ماسه سنگ، لای سنگ، مادستون ماسه­ای و مادستون) کاملاً متفاوت هستند (Peng و Meng، ۲۰۰۲، Meng و همکاران، ۲۰۰۶). مقادیر میانگین آزمایشات تراکمی و مقاومت کششی در زمینه ماسه سنگ به میزان بیشترین حد یعنی ۵/۱۱۱ MPa و ۶۶/۶ MPa به ترتیب گزارش شده اند، و مقادیر مادستون به میزان حداقل یعنی ۷۵/۴۲ MPa و ۹۱/۱ MPa به ترتیب مشخص شده­اند (شکل ۴-۷ ). این مورد معرف آن است که مقاومت و دیگر خواص مکانیکی سنگ­ها به میزان زیادی منوط به ویژگی سنگ­شناسی آنها می­باشد (Peng و Meng، ۱۹۹۹).

توده سنگ های رسوبی و پدیده گسستگی

تست تراکم چند محوری

آزمایشات تراکم چند محوری نشان دهنده تغییرشکل­ها و مقاومت سنگ­های آواری هستند که به میزان نزدیکی مرتبط با فشار مقید کننده یا فشار محصور می­باشند (Meng و همکاران، ۲۰۰۲ )، همانگونه که در شکل های ۷-۵ – ۹-۵ نشان داده شده است. شیب­های منحنی­های تنش-کرنش کاملاً معرف شیب های تند هستند و میزان مقاومت به هنگامی افزایش می­یابد که فشارهای محصور برای کلیه سنگ­ها افزایش یافته باشند. این مورد مؤکد آن است که فشار محصور از اهمیت خاصی برای ثبات مهندسی سنگ برخوردار است.

۵-۳٫ مؤلفه­های شیمیایی و خواص مکانیکی مادستون

۵-۳-۱٫ مؤلفه­های معدنی و شیمیایی

به واسطه آن که مشکلات زیادی در مهندسی سنگ به علت شیل و مادستون به وجود می­آید، آزمایشات ترکیب معدنی، اجزا یا مؤلفه­های شیمیایی و خواص مکانیکی مادستون از اهمیت زیادی برخوردار می­باشد. ثبات حفاری در سنگ­های نرم نظیر مادستون و شیل به عنوان آفت معادن زغال سنگ در معدن Huainan چین به حساب می­آیند. نمونه­های مادستون حاصل آمده از لایه­های سقفی و کفی رگه­های زغال سنگ در معدن Huainan مورد تجزیه و تحلیل و آزمایش قرار گرفته­اند. نتایج تحلیلی با استفاده از پراش اشعه x نشان دهنده آن است که اجزای اصلی معدنی مادستون، در این ناحیه مطالعه شده، مواد معدنی خاک رس می­باشند. مواد معدنی ثانویه شامل کوارتز و سیدرید می­باشند. علاوه بر این مقداری فلدسپات­های پتاسیمی نیز در مادستون­های ماسه­ای وجود دارند. در مادستون، مواد معدنی خاک رسی ۵۰ الی ۹۰% ، با میانگین ۳/۶۹ % را تشکیل می­دهند. در بین این مواد معدنی خاک رسی، کائولینیت به عنوان جزء اصلی به شمار می­آید، در حالی که ایلیت و کلوریت به عنوان اجزای ثانویه به حساب می­آیند. کوارتز در مادستون ۱۰-۳۰% ، با میانگین ۵/۲۱% را به خود اختصاص می­دهد.

۵-۳-۲٫ تأثیر اجزای شیمیایی بر روی خواص مکانیکی

ارتباط نزدیکی بین خواص مکانیکی مادستون و ترکیب شیمیایی آن وجود دارد، مخصوصاً محتوای SiO₂ و اتلاف احتراقی و حرارتی در این زمینه مهم می­باشند. شکل های ۵-۱۱ و ۵-۱۲ معرف مقاومت تراکمی تک محوری و ضریب کشسانی و محتویات ارتباطات SiO₂ در نمونه مادستون می­باشد (Peng و Meng، ۲۰۰۲)

۵-۴٫ رفتار مکانیکی گسستگی­ها

لایه بندی یکی از شایع­ترین پدیده­های زمین شناختی در سنگ­های رسوبی می­باشد. به طور کلی یک سطح لایه­بندی به عنوان یک سطح ضعیف، در مقایسه با بلوک­های سنگی، به شمار می­آید و از مقاومت کمتر و تراکم بالاتری برخوردار است (Peng، ۱۹۹۸). بنابراین، سطح لایه­بندی دارای مقاومت تراکم بسیار کمتر، مقاومت برشی و مقاومت کششی بسیار کمتری می­باشد. در مهندسی سنگ، احتمال آنکه سنگ در سطح لایه­بندی با شکست روبرو شود وجود دارد.

توده سنگ های رسوبی و پدیده گسستگی

۵-۵٫ رفتار مکانیکی توده سنگ ها

تحقیقات نشان دهنده آن است که رفتار دفرمه شدگی یک ماتریس سنگی و یک توده سنگ متفاوت هستند، برای یک مورد ساده، در صورتی که مجموعه­ای از سطوح ساختاری (نظیر شکستگی­ها یا سطوح لایه­بندی) به صورت موازی و مساوی در توده سنگ جا گیرند، ضریب یانگ توده سنگ و ماتریس سنگ را می­توان به شرح ذیل بیان داشت:

۵-۶٫ تأثیر آب بر روی مقاومت سنگ رسوبی

سنگ­های طبیعی فعالیت­های تکتونیک بسیاری را تجربه نموده و تحت تنش­ها و دفرمه شدگی­های زیادی می­باشند. در نتیجه، آنها به طور طبیعی به عنوان رسانای متخلخل و دارای شکستگی به شمار می­آیند. غالب مخازن نفتی و برخی از آبخان­ها یا آبدارها در این دسته جای می­گیرند. این سنگ ها غالباً حاوی آب یا دیگر سیالات در منافذ سنگ و شکستگی­های آن هستند. به هنگامی که مهندسی سنگ در چنین رسانه ای مورد بررسی قرار می­گیرد لازم است تا تأثیر آب یا سیال را مدنظر قرار داد. شکل ۵-۱۸ نشان دهنده اهمیت فشار آب بر روی مقاومت سنگ و شکست آن می­باشد. این شکل نشان دهنده آن است که در صورتی که پوشش مقاومت مور-کلمب بدون تغییر باقی ماند، بنابراین بدون تأثیرات آب، سنگ با ثبات خواهد بود. با این وجود، حلقه مور به سمت مسیر متضاد محور-x به واسطه فشار آب حرکت می­نماید. در نتیجه، این حلقه فراتر از پوشش مقاومت خواهد رفت و سبب شکست سنگ می­گردد. بنابراین، در طراحی مهندسی سنگ و رویه­های آن تأثیر سیال را نباید نادیده انگاشت.

مقاومت سنگ همچنین منوط به مقدار آب در سنگ می­باشند. جدول ۵-۸ معرف نتایج آزمایشی مقدار آب و تأثیرات آن بر روی مقاومت سنگ، ضریب یانگ، و نسبت پواسون در طبقات زغال خیز معدن زغال سنگ چین می­باشد. نتایج نشان دهنده آن هستند که مقاومت تراکمی سنگ به طور معنی­داری به هنگامی که مقدار آب افزایش می­یابد با کاهش روبرو خواهد شد.