地下水运移通道之一：断层渗流带

断层是地下水储存场所和运移通道之一,张性断层和具有张性的平移断层物质结构松散、孔隙率高,有利于地下水的运移和聚集,尤其当断层结构为弹脆性岩层时更是如此,属于高渗流带。

断层渗流带的渗流特征与断层的类型、断层结构构造和应力状态有关。当有充沛的地下水补给,张性断层连通了地下裂隙水、构造水、岩溶水及地表水时,隧道可能成为一个巨大的泄水洞,极大地威胁隧道施工安全。压性断层因断层带中的物质受挤压作用,裂隙率偏低、裂隙连通性差、导水条件不好,可能成为隔水层,但当两侧影响带岩石为弹脆性岩层时,也可能成为高渗流带。

1.断层的组成

大的断层具有岩性的非均一性、力学上的各向异性和不连续性,往往是由一系列与断层形成与演化相关的地质体块、段组成,一般由一个或数个高应变滑动面分布或交织在高、低应变带,高应变滑动面分布形成的称为断层核部,高应变滑动面交织形成的称为裂隙带。断层带的变形特征和产状沿走向及倾向均可能在较短距离内发生变化,从而导致其构造特性、力学性质和渗透性发生变化。

断层核部一般由断层泥、碎裂岩或超细碎裂岩组成;裂隙带则由长度不等的裂隙、派生断层组成。断层核部的应变可能是均一的,也可能沿某一面集中,形成具有滑动面性质的高应变带。另外,即使在断层的核部,其中的局部拉张区也可能发育断层角砾岩,如硅质碎屑岩中的断层核部与裂隙带,如图2.15所示,断层核部由受强烈挤压的变形带和局部轻微变形的透镜体组成;裂隙带包括次级小断层和变形带。

图2.15 硅质碎屑岩中断层核部和裂隙带的特征

断层及断层带的构造如图2.16所示。由断层核部和两侧裂隙带组成的单一高应变带称为简单断层;由断层核部和裂隙带交织组成的宽大断层带称为复合断层带,主要表现为高应变的断层核部与夹持其间的裂隙化的原岩块体。

图2.16 断层及断层带构造

(a)简单断层;(b)断层带

2.断层带裂隙发育特征

裂隙发育的密度从断层核部向两侧呈指数衰减,这一规律与应力的大小从断层核部向两侧衰减相关。对于高孔隙度(孔隙率)的岩石,岩石的变形以条带状变形破坏为主,微细裂隙的发育密度随离开断层核部的距离变化不明显。但是,当断层变形破坏以某一变形带为主时,高孔隙度的岩体裂隙发育密度类似于低孔隙度岩体裂隙发育密度。

断层微裂隙发育密度随距离断层核部的远近变化规律为:低孔隙度的岩体中断层核部两侧的裂隙密度随远离断层核部呈对数衰减的规律;相反,高孔隙度的岩体中除断层核部之外,远离岩体断层核部的微裂隙不发育。

3.断层带的渗透性(www.xing528.com)

断层核部与其两侧裂隙带的渗透特征存在较大的差异(见图2.17)。对于简单断层,断层核部属于渗流屏蔽带(层),而两侧裂隙带属于渗流通道。而实际的断层往往是复杂的、非均质的,其渗透特征也随断层的构造、组成而变化。断层的渗透性取决于断层裂隙特征(岩石及裂隙面特征)及其空间展布。例如,断层核部一般富含黏土(泥质)矿物、片状矿物,具有较低的渗透性,当断层核部这些黏土矿物连续成带时,便形成隔水屏障。对于裂隙面和滑动面而言,其渗透性取决于裂隙和滑动面的开度,而开度的大小则取决于裂隙面和滑动面法线方向应力的大小。一般地,裂隙面和滑动面具有较高的渗透性,而断层带的整体渗透性则取决于裂隙的连通性,以及裂隙切割透水性较差的岩块的状况。断层核部根据物质破碎程度不同,可以分为断层泥和破碎带两类。

图2.17 断层核部的渗透特征

(a)单一断层核部;(b)多个断层核部

1)断层泥特征及其渗透性

自然界的断层泥可以分为:①由近似于粒状、棱角显著的破碎岩石组成的颗粒状断层泥;②由泥质矿物组成的泥状断层泥。

有关颗粒状断层泥渗流特征的研究表明:利用人造石英颗粒来代表颗粒状断层泥,在法向应力25 MPa下,当剪切应变为10左右,则渗透系数减小2～3个数量级;当剪切应变达到200时,发现其渗透系数进一步减小2～3个数量级,此时,渗透不均一性显著,有约1个数量级,这可能与应变的局部出现Y型剪切变形有关。

总之,泥质含量高的断层泥的渗透性低于以颗粒状岩石为主的断层泥,如泥页岩、黏土岩,它们在断层的磨细及混合作用下的产物总组分大致与原岩相当。

富含黏土矿物的断层,其渗透性均较低。断层带的渗透性具有各向异性,不同方向的差异可能有3个数量级。在断层泥中,黏土矿物的定向性一般不显著,或定向性仅在局部存在。

富含黏土的断层泥,其渗透性随深度的变化往往是显著的。对于正常固结的黏土物质,剪切作用下形成的断层泥,其渗透性一般会降低;而对于超固结的黏土物质,在低有效应力条件下遭受剪切变形,则渗透系数往往增大。

2)破碎带特征及其渗透性

破碎带的渗透特征取决于原岩的渗透性、裂隙及其连通性、低渗透带(挤压变形带)的分布。对于低孔隙度的岩体,断层以裂隙主导的变形为主,最终的渗透性能取决于裂隙的发育及其连通性;而对于高孔隙度的岩体,破碎带往往较为复杂,断层带的渗透性取决于高渗透的滑动面和低渗透的挤压变形带的组合形式。总体上,远离断层核部的破碎带,其渗透性降低,这与变形的变化和破碎的减轻趋势是一致的,不过某些断层带渗透性能的变化较为复杂。有关日本Median构造带的渗透性能研究显示,其渗透性能在地表有数个数量级的差异,这反映了岩性、构造均是影响断层带渗透性的主要参数。

3)断层带渗透性的估计

断层渗透性的研究,主要基于数值模拟结果和钻孔试验。数值模拟结果显示,平行于断层带方向的渗透性明显大于垂直于断层方向的渗透性,因此,在平行于断层带的方向上往往具有渗流通道。

利用渗透试验可以评价岩体、断层带的渗透性,间接地估算断层带的渗透特征,如在地应力作用下,利用渗流波动性的方法,估算断层带的渗透率为2×10-15～1×10-8 m2。