Сравнительная характеристика физико-механических свойств андезито-базальтов вулканов Зимина и Камень

Полный текст

Введение * В грунтоведении существует утверждение, согласно которому физико-механические свойства скальных грунтов зависят от генезиса, минерального состава и структурно-текстурных особенностей. Целями данной работы являются проведение опытов по определению физико-механических свойств и их последующее сравнение, а также изучение петрографических особенностей эффузивных пород двух вулканов - Зимина и Камень. Данные вулканы относят к группе Ключевских вулканов. Для выполнения поставленных целей необходимо изучить: · имеющиеся литературные данные, современное представление о физико-механических свойствах эффузивных пород, влияние структурных особенностей на изменения физико-механических свойств эффузивных пород; · структурные особенности эффузивных пород вулканов Камень и Зимина; · физико-механические свойства эффузивных пород вулканов Камень и Зимина; · влияние структурных особенностей на изменения физико-механических свойств эффузивных пород вулканов Камень и Зимина; · сходства и различия эффузивных пород, основываясь на анализе полученных на предыдущих этапах данных. 1. Физико-географический очерк района Вулкан Камень расположен в самом центре Ключевской группы вулканов. Это типичный стратовулкан с конусом правильной формы, потухший, относится к одним из самых древних. Сложен переслаивающимися лавами андезито-базальтового состава с вкраплениями пироксена и плагиоклаза, реже - роговообманковым андезитом и пирокластикой того же состава. Основанием вулкана служат древние мегаплагиофировые лавы Ключевской группы и породы щитового вулкана Ушковский. Рисунок. Ключевская группа вулканов на физической карте Камчатки [Figure. Klyuchevskaya group of volcanoes on the physical map of Kamchatka] Источник: Планета Земля: историческая география. URL: http://geosfera.org Расположенный рядом с Ключевским вулкан Камень - второй по высоте вулкан на Камчатке. Склоны его крутые. Юго-восточный склон представлен глубоким цирком, образовавшимся в результате обвала, произошедшего 1000-1200 лет назад. Крутизна склонов здесь достигает 45-70°, поверхность представлена вулканическим шлаком. Северные и западные склоны начинаются с перевалов между вулканами Ушковский и Ключевской. Они также достаточно круты (35-40°) и почти полностью перекрыты льдом и фирном. Вершина вулкана труднодоступна [12]. Когда-то он был коническим стройным вулканом, но из-за произошедших колоссальных взрывов его восточная часть была оторвана и разбросана по окрестностям. Размеры крупных осколковглыб составляют в поперечнике 5-10 м, но встречаются и более крупные. Так, в районе среднего течения Сухой Хапицы лежит глыба Амбон, отброшенная взрывом от своего «родного» места на 10 км. Ее поперечник составляет около 50 м, объем - около 16 000 м3. По размерам она больше пятиэтажного дома, а ее вес - 40-45 тыс. т. Глыба Амбон является памятником природы геологического характера. Западный склон вулкана, не поврежденный взрывами, имеет обычный для конусовидных вулканов уклон - 30-35°. Восточный склон обрывается тремя крутыми цирками-уступами с уклоном 70-75°. Группа Зиминых сопок относится к потухшим вулканам, располагается к юго-востоку от вулкана Безымянный и состоит из трех слившихся в единый массив стратовулканов: Овальная Зимина, Острая Зимина и Горный Зуб. Массив вытянут в субширотном направлении. Вулкан Горный Зуб является самым древним и разрушенным, он расположен в восточной части массива, между ключом Тундровым и рекой Горно-Тополовой (Горно-Тополевой). Основанием вулкана служат мегаплагиофировые лавы. В его строении присутствуют пирокластические образования с прослоями лав базальта и андезитобазальта, которые выше сменяются оливин-пироксеновыми базальтами. Самую верхнюю часть слагают андезито-базальты и андезиты экструзий, причем место их внедрения смещается в западном направлении, в сторону вулканов Острая Зимина и Овальная Зимина. Острая Зимина в рельефе сравнительно четко выражена. Сложена плагиобазальтами и андезитами. Кратер ее заполнен экструзией андезитодацитов. Экструзия такого же состава отмечена в южном отроге этого вулкана [1]. Овальная Зимина ограничивает вулканический массив с запада. Сложен вулкан пирокластикой, переслаивающейся с лавами дацитов. Кратер заполнен экструзией дацитового состава, обелиск которой хорошо выражен в рельефе. Одновременно с кратерной экструзией два купола дацитов образовались на ее южном склоне. По-видимому, с внедрением этих экструзий и довольно мощных эксплозий связано понижение, которое занял ледник Желтый, хотя В.А. Ермаков считает, что он приурочен к древнему кратеру вулканического массива Зиминых сопок. С этим же процессом он связывает мощную алунитизацию пород, широко развитую на восточных и западных склонах сопок Овальная Зимина и Острая Зимина. Здесь В.А. Ермаковым обнаружен термальный источник с температурой 16-19 °С. Последний указывает на то, что гидротермальная деятельность на этих вулканах продолжается. 2. Современные представления о влиянии петрографических особенностей эффузивов на их физико-механические свойства Установлено, что эффузивы четвертичного возраста характеризуются преимущественно пористой и крупнопористой текстурой (n-2 - 30 %), свежестью неизмененных первичных минералов, слагающих породу. Главной их особенностью является наличие открытых, незаполненных вторичными минералами пор, образовавшихся при остывании магматического расплава. Их свойства зависят в большей степени от их текстуры - величины пористости и соотношения пор по размерам, чем от минералогического состава и структуры породы [2]. Установлено, что плотность эффузивов повышается с увеличением основности пород в ряду андезиты - базальты. Наблюдается тенденция четкого увеличения скоростей упругих волн от андезитов к базальтам. Изменение прочности может быть связано как с более высокой пористостью, так и с влиянием размера и характера распределения пор. Проанализировано влияние размера пор на свойства. По мере увеличения размера пор от 1 до 5 мм установлено устойчивое снижение прочности от 120 до 50 МПа [3]. При пористости менее 8-12 % резко возрастает влияние структуры основной массы породы. Наблюдается закономерное снижение прочности по мере увеличения содержания вулканического стекла в микролитовых, офитовых, интерсертальных, гиалопилитовых структурах [4]. Настоящая работа предполагает обнаружить дополнительный материал по влиянию различных геологических факторов на свойства эффузивов. В.М. Ладыгиным выявлено влияние текстуры (пористости) на свойства базальтов. В зависимости от размера пор выделены мелкопористые (0,1-1 мм), среднепористые (1-5 мм) и крупнопористые (> 5 мм) текстуры. По мере увеличения размера пор наблюдается снижение плотности (от 2,46 до 2,05 г/см3) и прочности (от 122 до 48 МПа), величина пористости возрастает от 13,9 до 28,3 %. На значение показателя Vp размер пор существенного влияния не оказывает [5]. Также установлено устойчивое изменение значений свойств по мере увеличения степени кристалличности породы. Так, плотность повышается от 1,58 до 2,65 г/см3, прочность - от 41 до 163 МПа, то есть в 4 раза, заметно увеличивается плотность твердой фазы (от 2,85 до 2,91 г/см3) и уменьшается пористость (от 45 до 9,5 %). Наибольшая величина пористости характерна для разностей с витрофировой структурой, то есть для пород верхних частей потоков. Следует отметить резкое (с 6,4-7,2×10-3 до 1,8×10-3 СИ) снижение величины магнитной восприимчивости у разностей с витрофировой структурой, что может свидетельствовать о заметной дифференциации магнитной составляющей в потоках базальтов. Вместе с тем значение показателя Vp не зависит от структуры основной массы, оставаясь постоянным [6]. Базальты вулкана Ключевской очень разнообразны по петрофизическим свойствам, которые контролируются различными факторами. Плотность и прочность зависят от величины пористости, размера пор, типа структуры основной массы базальтов. Происходит увеличение плотностных (прочностных) характеристик с повышением пористости, от крупнопористых базальтов к мелкопористым и массивным разностям, от базальтов с гиалопилитовой основной массой к базальтам с офитовой структурой. Значения показателя Vp определяются наличием микротрещиноватости (за исключением базальтов с витрофировой структурой) и являются крайне низкими при данных значениях плотности и пористости. Плотность минеральных частиц коррелирует с химическим составом: снижается с увеличением содержания SiO2 и уменьшением содержания Mg и СаО [7]. Существует корреляционная связь между плотностью твердой компоненты ρs (минеральной плотностью или плотностью твердой фазы) и содержанием SiO2. Первая работа по установлению взаимосвязи между содержанием SiO2 и ρs была проведена О.М. Алыповой в 1967 г. [8]. Более детальные исследования отражены в работе В.М. Ладыгина, С.Н. Рычагова, Ю.В. Васильевой и Н.А. Румянцевой [9]. Был выявлен характер взаимосвязи SiO2 и ρs: он зависит от состояния минеральной составляющей породы (соотношение кристаллической и стеклянной фаз) и структуры основной массы. В общем случае получены следующие значения минеральной плотности для различных петрографических типов эффузивных пород: ультрабазиты характеризуются величиной ρs более 2,95-3,06 г/см3; значения ρs базальтов лежат в интервале от 2,81-2,87 до 2,95-3,09 г/см3, андезито-базальтов - от 2,73-2,77 до 2,81-2,87 г/см3, андезитов - от 2,59-2,6 до 2,73-2,77 г/см3 [10]. Рассмотренные выше зависимости характеризуют вулканиты неоген-четвертичного возраста, существенно не затронутые вторичными изменениями. В работе [11] описаны зависимости скорости продольных волн от возраста породы. В данной работе говорится, что у эффузивов при кристаллизации образуются микротрещины, которые вызывают резкое снижение величины упругих волн. Этот эффект исчезает с увеличением возраста эффузивов, и базальты возраста более 150 000- 200 000 лет обладают большими скоростями. 3. Сравнительная характеристика эффузивных пород вулканов Зимина и Камень Вулканы Зимина и Камень относятся к группе Ключевских вулканов и располагаются в непосредственной близости друг от друга, но в результате различного происхождения имеют разный химический состав и физико-механические свойства пород, образующих данные вулканы. По результатам, полученным в процессе исследования данных эффузивов, можно сделать вывод, что вулканы состоят из базальтов и андезитобазальтов, однако у эффузивов вулкана Камень более кислый состав - андезито-базальтов больше, чем базальтов, соотношение 7:3. У вулкана Зимина соотношение андезито-базальтов к базальтам 6:9. Стоит отметить, что был обнаружен образец с гидротермальными преобразованиями (zim16-18), также в ходе маршрутов был обнаружен ледник Желтый, характерный цвет которого косвенно указывает на гидротермальную активность вулкана Зимина. При изучении образцов с вулкана Камень подобных изменений не наблюдалось. Отсюда можно сделать вывод, что и по пористости пород данные вулканы отличаются. Средние показатели пористости пород с вулкана Зимина составляют: для первой группы пород - 17,4 %, для второй - 11,8 %, для третьей - 6,0 %, для четвертой - 12,0 % и для пятой - 12,6 %. Для вулкана Камень характерны следующие величины: для первой группы пород - 4,2 %, для второй - 8,8 %, для третьей - 6,2 %, для четвертой - 10 %. Это свидетельствует о том, что при извержении вулкана Зимина было большее флюидовыделение. Сравнение скоростей продольных волн выявило, что у образцов с вулкана Камень средние показатели скоростей ниже, чем у образцов с вулкана Зимина. Один из образцов, а именно кам09-07, имеет скорость 4,9 км/с, такое высокое значение связанно с низкой пористостью данного образца. А высокие скорости у образцов zim16-14 и zim16-11 связаны с более древним возрастом этого потока. Предположительно, у вулкана Зимина есть лавовые потоки возраста Q4, но есть и более древние - возраста Q2-3 [12]. У вулкана Камень отсутствуют образцы с резко отличающимися, высокими скоростями - это признак того, что все изученные потоки возраста Q4 (табл. 1 и 2). Физические и физико-механические свойства эффузивных пород вулкана Зимина [Table 1. Physical and physico-mechanical properties of effusive rocks of the Zimin volcano] Таблица 1 Группы [Groups] Вулкан Зимина [Zimin volcano] Плотность воздушносухого грунта [Density of air-dry soil] Плотность твердой компоненты [Density of solid components] Пористость [Porosity] Скорость продольных волн по оси керна [The speed of longitudinal waves along the core axis] Прочность на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии [Uniaxial compression strength in airdry condition] Структура основной массы породы [The structure of the main mass of the breed] Количество образцов [Amount of samples] № пробы [Sample number] ρ воздуха, г/см3 [ρ air, g/cm3] ρs, г/см3 [ρs, g/cm3] n, % Vp, км/с [Vp, km/s] Rc, MПа [Rc, MPa] Базальты [Basalts] I zim16-09 2,70 3,08 12,8 4,1 140 Интерсертальная [Intersertal] 2 zim16-03 2,37 3,02 21,9 4,1 69 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 4 Среднее [Average] 2,54 3,05 17,4 4,1 105 - - II zim16-10 2,65 2,94 8,4 3,8 45 Микроофитовая [Microophyte] 3 zim16-42 2,67 2,95 8,8 3,6 175 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 4 zim16-30 2,60 2,94 18,2 3,3 133 Интерсертальная [Intersertal] 3 Среднее [Average] 2,64 2,94 11,8 3,6 118 - - III zim16-14 2,76 2,93 5,4 5,5 316 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 zim16-11 2,71 2,90 6,5 5,4 169 Интерсертальная [Intersertal] 3 Среднее [Average] 2,74 2,92 6,0 5,5 243 - - Андезито-базальты [Andesite-basalts] IV zim16-34 2,51 2,86 11,8 2,5 164 Интерсертальная [Intersertal] 2 zim16-26 2,73 2,88 4,4 3,2 49 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 1 zim16-28 2,20 2,84 21,9 3,1 67 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 Среднее [Average] 2,48 2,86 12,7 2,9 93 - - V zim16-04 2,30 2,80 17,9 2,9 92 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 zim16-23 2,30 2,77 16,8 2,5 23 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 zim16-45 2,45 2,75 10,3 4,2 120 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 4 zim16-46 2,57 2,73 5,5 2,2 239 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 Среднее [Average] 2,41 2,76 12,6 3,0 119 - - VI zim16-18 2,35 2,99 14,5 4,1 72 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 Примечание: zim16-03: zim - вулкан Зимина, 16 - номер экспедиции, 03 - номер пробы. [Note: zim16-03: zim - Zimin volcano, 16 - expedition number, 03 - sample number.] Физические и физико-механические свойства эффузивных пород вулкана Камень [Table 2. Physical and physico-mechanical properties of effusive rocks of the Kamen volcano] Таблица 2 Группы [Groups] Вулкан Камень [Kamen volcano] Плотность воздушносухого грунта [Density of air-dry soil] Плотность твердой компоненты [Density of solid components] Пористость [Porosity] Скорость продольных волн по оси керна [The speed of longitudinal waves along the core axis] Прочность на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии [Uniaxial compression strength in airdry condition] Структура основной массы породы [The structure of the main mass of the breed] Количество образцов [Amount of samples] № пробы [Sample number] ρ воздуха, г/см3 [ρ air, g/cm3] ρs, г/см3 [ρs, g/cm3] n, % Vp, км/с [Vp, km/s] Rc, MПа [Rc, MPa] Базальты [Basalts] I кам09-14 2,73 3,08 4,2 2,2 113 Офитовая [Oophyte] 2 Среднее [Average] 2,73 3,08 4,2 2,2 113 - - II кам09-20 2,73 2,94 8,4 2,9 140 Интерсертальная [Intersertal] 6 кам09-26 2,67 2,94 9,1 3,3 103 Интерсертальная [Intersertal] 4 Среднее [Average] 2,70 2,94 8,8 3,1 122 - - Андезито-базальты [Andesite-basalts] III кам09-13 2,72 2,88 6,0 2,1 130 Интерсертальная [Intersertal] 5 кам09-22 2,69 2,88 6,2 2,4 76 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 кам09-25 2,58 2,86 9,0 3,0 99 Интерсертальная [Intersertal] 3 кам09-07 2,76 2,85 3,5 4,9 154 Интерсертальная [Intersertal] 2 Среднее [Average] 2,69 2,87 6,2 3,1 115 - - IV кам09-23 2,39 2,83 15,7 2,8 68 Интерсертальная [Intersertal] 5 кам09-08 2,59 2,82 8,3 2,6 112 Офитовая [Oophyte] 7 кам09-24 2,65 2,82 5,9 3,2 44 Гиалопилитовая [Hyalopilitic] 3 Среднее [Average] 2,54 2,82 10,0 2,9 75 - - Примечание: кам09-14: кам - вулкан Камень, 16 - номер экспедиции, 03 - номер пробы. [Note: kam09-14: kam - Kamen volcano, 16 - the number of the expedition, 03 - sample number.] При изучении прочностных характеристик отобранных образцов особых закономерностей и зависимостей обнаружено не было. Установлено, что прочность не зависит от структуры основной массы. Изучение шлифов отобранных образцов пород под микроскопом показало, что у вулкана Камень больше пород с интерсертальной структурой, в то время как для вулкана Зимина характерны породы с гиалопилитовой основной массой. У вулкана Зимина андезито-базальты имеют преимущественно гиалопилитовую структуру, за исключением образца zim16-34, который имеет интерсертальную структуру. Базальты имеют гиалопилитовую структуру. Исключение составляют лишь эффузивы zim16-11 и zim16-09, у которых интерсертальная структура, и zim16-10 с микроофитовой структурой. У вулкана Камень наблюдается обратная зависимость: андезито-базальтовые породы имеют интерсертальную структуру основной массы, за исключением кам09-22 и кам09-24 с гиалопилитовой структурой основной массы и кам09-08 с офитовой структурой основной массы. Стоит отметить, что базальты вулкана Камень также представлены интерсертальной структурой основной массы, исключение - образец кам09-14, имеющий офитовую структуру. Исходя из полученных в результате исследований показателей, можно сделать следующий вывод: эффузивы вулкана Камень преимущественно представлены породами с интерсертальной структурой основной массы, а образцы с вулкана Зимина - гиалопилитовой структурой основной массы. Основываясь на полученных графиках зависимостей скоростей продольных волн от плотности пород и зависимостей прочности пород от плотности, можно заключить, что: 1. породы вулкана Камень плотнее; 2. разброс полученных значений физико-механических свойств для вулкана Камень минимальный, что свидетельствует о более постоянном составе, а следовательно, и более четко выраженной зависимости прочности и скорости продольных волн от плотности. Значения показателей физикомеханических свойств эффузивных пород вулкана Зимина имеют большой разброс, и следовательно, менее четко выраженную зависимость прочности и скорости продольных волн от плотности; 3. показатели прочности не зависят от структуры основной массы как на вулкане Камень, так и на вулкане Зимина. Графики зависимостей скоростей продольных волн от пористости пород и зависимостей прочности пород от ее пористости свидетельствуют о наличии: 1. зависимости скорости от пористости у эффузивов с интерсертальной структурой; 2. зависимости прочности от пористости у эффузивов, отобранных с вулкана Зимина, имеющих гиалопилитовую структуру. Заключение В ходе исследования были изучены физикомеханические свойства эффузивов, отобранных с расположенных рядом вулканов Зимина и Камень. Проведено сравнение физико-механических свойств и строения эффузивов данных вулканов, для чего были изучены 25 образцов: 15 - с вулкана Зимина и 10 - с вулкана Камень. На основе полученных данных установлено, что: 1. вулкан Камень преимущественно сложен андезито-базальтами, а вулкан Зимина базальтами; 2. эффузивы с вулкана Зимина преимущественно имеют гиалопилитовую структуру основной массы, а эффузивы вулкана Камень - интерсертальную структуру основной массы; 3. эффузивы вулкана Зимина более пористые, чем эффузивы вулкана Камень; 4. средние скорости продольных волн у эффузивов вулкана Зимина выше, чем у эффузивов вулкана Камень; 5. на вулкане Зимина обнаружены гидротермальные явления; 6. у вулкана Зимина присутствуют потоки, предположительно, возраста Q2-3, на что косвенно указывают высокие скорости продольных волн у эффузивных пород вулкана; у вулкана Камень возраст потоков соответствует Q4; 7. прочность пород не зависит от структуры основной массы; 8. зависимость скорости продольных волн от пористости наблюдается у эффузивов с интерсертальной структурой; 9. зависимость прочности от пористости наблюдается у эффузивов, отобранных с вулкана Зимина и имеющих гиалопилитовую структуру.

Об авторах

Владимир Васильевич Беленикин

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: didiftmfc@gmail.com

магистрант Инженерной академии

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Алина Сергеевна Пулькова

Российский университет дружбы народов

Email: didiftmfc@gmail.com

магистрант Инженерной академии.

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Список литературы