Ocena cech litogenetycznych piaskowców fliszowych
na podstawie badañ ultradŸwiêkowych
Agnieszka K³opotowska
1, Dominik £ukasiak
1Estimation of lithogenetic features of flysch sandstones based on ultrasonic tests. Prz. Geol., 65: 177–182.
A b s t r a c t. Non-destructive ultrasonic tests were used to determine the lithogenetic features responsible for the anisotropy of flysch sandstones. The studied material consisted of the Godula and Zakopane sandstones. These rocks are characterized by significant anisotropy of the geome-chanical properties. As a result of ultrasonic testing the characteristic directions of propagation of longitudinal waves were determined and subsequently correlated with the microscopic image of thin sections as well as the evident orientation of joints observed in situ. The analysis shows that the recorded changes in the propagation of ultrasonic waves indicate the privileged direc-tion resulting from both the orientadirec-tion of mineral grains and spatial orientadirec-tion of microcracks. It has a bearing on the direction of turbidity currents in the sedimentary basin and the variable stress field during the formation of the Carpathians.
Keywords: ultrasonic tests, Godula Sandstones, Zakopane Sandstones, longitudinal wave propagation velocity
Masyw skalny jest oœrodkiem nieci¹g³ym, a wystê-puj¹ce w nim ska³y nie s¹ oœrodkami w pe³ni jednorodny-mi, izotropowymi i sprê¿ystyjednorodny-mi, poniewa¿ ich struktura i tekstura zosta³y ukszta³towane etapowo w trakcie pro-cesów sedymentacyjnych i diagenetycznych. Obecnoœæ
przestrzeni porowych, kierunkowoœæ u³o¿enia minera³ów, ich wielkoœæ oraz rodzaj spoiwa powoduj¹ zmiennoœæ w³aœciwoœci oœrodka skalnego. Obecnoœæ nieci¹g³oœci skutkuje obni¿eniem ogólnej wytrzyma³oœci masywu, zwiêkszeniem odkszta³calnoœci i przepuszczalnoœci oraz sprzyja przemieszczaniu siê bloków skalnych (Piniñska & Dziedzic, 2006; Domonik, 2012). Oprócz wspomnianych cech, istotny wp³yw na anizotropiê oœrodków skalnych ma tak¿e lokalny re¿im tektoniczny, który w zale¿noœci od rozk³adu, rodzaju i wielkoœci naprê¿eñ wywo³uje jawne A. K³opotowska D. £ukasiak
1
Wydzia³ Geologii, Uniwersytet Warszawski, ul. ¯wirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa; a.klopotowska@uw.edu.pl, dominik.lukasiak@uw.edu.pl.
Ryc. 1. Szkic tektoniczny polskich Karpat (za ¯ytko i in., 1989; Oszczypko i in., 2008, modyfikowany)
spêkania ciosowe lub ukryte os³abienia budowy wewnêtrz-nej (Domonik, 2007). Te niejako zapisane w skale g³ówne kierunki wzmo¿onych naprê¿eñ (nieci¹g³oœci strukturalne) ujawniaj¹ siê w miarê postêpu procesów denudacyjno--erozyjnych oraz podczas odprê¿ania masywu skalnego zwi¹zanego z dalszym wypiêtrzaniem (Boretti-Onyszkie-wicz, 1968).
Anizotropia w³aœciwoœci fizyczno-mechanicznych ska³ jest wynikiem wielu z³o¿onych i nak³adaj¹cych siê pro-cesów sedymentacyjnych, diagenetycznych oraz tektonicz-nych. Anizotropiê tê obserwuje siê wyraŸnie w ska³ach fli-szowych. W zale¿noœci od typu litologicznego udzia³ tych procesów jest jednak ró¿ny. Dokumentuje to niniejsza publikacja.
Celem pracy jest zatem wykazanie przydatnoœci badañ ultradŸwiêkowych w ocenie charakteru i orientacji zmien-noœci cech litogentycznych oraz wynikaj¹cych z tego implikacji w wybranych piaskowcach fliszowych Polski. Jest to istotne z punktu widzenia rozwa¿añ tektonicznych pod k¹tem realizacji projektów geologiczno-in¿ynierskich podejmowanych w spêkanym œrodowisku skalnym.
MATERIA£ BADAWCZY
Materia³ badawczy stanowi³y piaskowce pochodz¹ce z Polskich Karpat fliszowych (ryc. 1). Piaskowce godul-skie pobrano z czynnego kamienio³omu G³êbiec w Bren-nej, zaœ piaskowce zakopiañskie z ods³oniêcia w Potoku Bia³y w Zakopanem.
Piaskowce godulskie z Brennej nale¿¹ do œrodkowego poziomu warstw godulskich, które tworzy³y siê w basenie œl¹skim. Piaskowce te s¹ polimineraln¹ ska³¹ (ryc. 2A) sk³adaj¹c¹ siê z ziaren kwarcu, ich zawartoœæ okreœlono œrednio od 50,2% (Jonczy, 2000) do 57,9% (Kamieñski i in., 1968), oraz du¿ej iloœci fragmentów skalnych – œred-nio od 10,9% (Jonczy, 2000) do 13,3% (Kamieñski i in., 1968). Litoklasty te s¹ utworzone g³ównie ze ska³ meta-morficznych (Piniñska, 2003). Pozosta³e sk³adniki wystê-puj¹ w mniejszym udziale, s¹ to g³ównie skalenie oraz ³yszczyki i glaukonit. Spoiwo piaskowca buduje przede wszystkim krzemionka oraz substancja ilasta, podrzêdnie wêglany (K³opotowska & £ukasiak, 2011).
Piaskowce zakopiañskie nale¿¹ do warstw zakopiañ-skich dolnych fliszu podhalañskiego. Ich wiek datuje siê na oligocen (Gedl, 2000). Charakteryzuj¹ siê s³abym wysorto-waniem oraz bardzo drobnym i drobnym uziarnieniem. Dominuj¹ w nich s³abo i œrednio obtoczone ziarna mono-krystalicznego kwarcu o pokroju izometrycznym lub s³abo anizometrycznym. Materia³ detrytyczny jest w nich u³o-¿ony bez³adnie, tekstura jest bezkierunkowa, a ze wzglêdu na stopieñ wype³nienia przestrzeni przez sk³adniki mine-ralne – masywna. W piaskowcach tych oprócz monokry-stalicznego kwarcu w mniejszej iloœci wystêpuje równie¿ kwarc polikrystaliczny, okruchy kwarcytów i ska³ wêgla-nowych, ziarna czêœciowo zmienionych skaleni/plagiokla-zów oraz blaszki muskowitu. Przestrzeñ miêdzyziarnowa jest szczelnie wype³niona spoiwem wêglanowym zbudo-wanym z ró¿nokrystalicznego kalcytu, a lokalnie tak¿e ze skupieñ krystalicznego pirytu (ryc. 2B).
METODYKA BADAÑ
Do badañ pobrano monolity skalne zorientowane wzglê-dem kierunku pó³nocnego. Oznaczenie to mia³o pomóc w okreœleniu ewentualnego wp³ywu paleonaprê¿eñ oraz kie-runku transportu materia³u klastycznego w basenie sedy-mentacyjnym na zró¿nicowanie w³aœciwoœci fizyczno-me-chanicznych analizowanych piaskowców. Próbki walcowe by³y wycinane z monolitów skalnych prostopadle do sp¹gu warstwy (ryc. 3). W przypadku piaskowców godulskich próbki zorientowano równie¿ równolegle do u³awicenia warstw. Na ka¿dej wyznaczono nastêpnie osiemnaœcie kierunków pomiarowych przechodz¹cych przez œrodek próbki. P³aszczyzny orientowano co 10 stopni. Badania wykonano na 69 próbkach piaskowca zakopiañskiego oraz 112 piaskowca godulskiego.
Ocenê cech litogenetycznych przeprowadzono za po-moc¹ badañ ultradŸwiêkowych. Cechy fizyczne oœrodków warunkuj¹ prêdkoœæ rozchodzenia siê fal ultradŸwiêko-wych. Okreœla siê j¹ mierz¹c czas przejœcia fali przez bada-ne cia³o o znabada-nej geometrii. Dla dabada-nego oœrodka wartoœæ ta jest cech¹ charakterystyczn¹, pochodn¹ jego w³aœciwoœci fizycznych, m.in gêstoœci, porowatoœci, szczelnoœci czy jednorodnoœci (Dziedzic, 2005). Ka¿da mikroszczelina prostopad³a lub nachylona do wi¹zki pod pewnym k¹tem t³umi lub ca³kowicie wycisza impuls przejœcia fali, jaki normalnie wystêpuje w obszarze bez defektów. Defektos-kopia jest wiêc wa¿nym narzêdziem pozwalaj¹cym wychwyciæ nie tylko sam¹ obecnoœæ mikronieci¹g³oœci, ale równie¿ ich przestrzenne rozmieszczenie w próbce (Domonik, 2007).
Ryc. 2. Obraz mikroskopowy p³ytek cienkich przy równoleg³ych nikolach: A – piaskowca godulskiego, B – piaskowca zakopiañskiego Fig. 2. Microscopic image of thin sections under normally trans-mitted light: A – Godula Sandstone, B – Zakopane Sandstone
Jako urz¹dzenie rejestruj¹ce zastosowano zestaw po-miarowy, w sk³ad którego wchodzi³ defektoskop UMT-12 firmy Unipan z oprogramowaniem typu ULTRAMET wy-posa¿ony w g³owice nadawczo-odbiorcze o czêstotliwoœci 1MHz. Pomiary prowadzono metod¹ przejœcia, polegaj¹c¹ na bezpoœrednim pomiarze czasu przechodzenia impulsu dŸwiêkowego pomiêdzy g³owicami nadawcz¹ i odbior-cz¹ na odcinku drogi o d³ugoœci równej œrednicy próbki. Pomiary wykonano wzd³u¿ opisanych powy¿ej 18 kierun-ków po obwodzie walca.
W praktyce laboratoryjnej najczêœciej mierzy siê czas przejœcia fali przez próbkê skaln¹, otrzymuj¹c w ten sposób wypadkow¹ prêdkoœæ czo³a fali. Prêdkoœæ ta zale¿y od lito-logii, struktury i tekstury ska³y lub te¿ stopnia upakowania ziaren mineralnych (Piniñska i in., 2015; Thiel, 1980; Piniñska, 1981; Karska, 1987), stanowi¹c w ten sposób w³aœciwy danej skale parametr cech sprê¿ystych (Dzie-dzic, 2005).
Ryc. 3. Metodyka badañ ultradŸwiêkowych (Domonik, 2007; zmodyfikowana)
Fig. 3. Methodology of ultrasonictests (Domonik, 2007; modified)
Ryc. 4. Zmiennoœæ prêdkoœci fali pod³u¿nej: A – piaskowiec godulski, B – piaskowiec zakopiañski
Fig. 4. Variability of longitudinal wave velocity: A – Godula Sandstone, B – Zakopane Sandstone
WYNIKI BADAÑ
Z przeprowadzonej analizy wynika, ¿e rejestrowane zmiany propagacji fal ultradŸwiêkowych wskazuj¹ charak-terystyczne kierunki w³aœciwoœci sprê¿ystych w analizo-wanych piaskowcach (ryc. 4). Jednak zmiennoœæ ta jest efektem ró¿nych procesów geologicznych.
W przypadku piaskowców godulskich zró¿nicowanie prêdkoœci fali pod³u¿nej wynika z warunków sedymenta-cyjnych panuj¹cych w basenie œl¹skim podczas tworzenia siê osadu w wyniku pr¹dów zawiesinowych.
Charaktery-styczne dla osadów fliszowych warstwowanie materia³u skalnego wp³ywa na anizotropiê akustyczn¹. Je¿eli chodzi o piaskowce godulskie, to fala jest w najwiêkszym stopniu t³umiona w kierunku Z, prostopad³ym do stropu warstwy, natomiast w kierunku Y rejestrowano najwiêksze prêdkoœ-ci fali pod³u¿nej, co jest zgodne z u³o¿eniem d³u¿szych osi ziaren mineralnych (ryc. 5).
W przypadku piaskowców zakopiañskich badania la-boratoryjne zosta³y poprzedzone obserwacjami i pomiara-mi spêkañ ciosowych w warstwie piaskowca ods³a-niaj¹cego siê w Potoku Bia³y (ryc. 6A), z której nastêpnie Ryc. 5. Wp³yw cech litogenetycznych piaskowców godulskich na prêdkoœæ fali pod³u¿nej
pobrano materia³ do dalszych badañ. Wstêpny podzia³ orientacji spêkañ na zespo³y przeprowadzono w terenie. Bior¹c pod uwagê wspó³czesn¹ orientacjê spêkañ wzglê-dem regionalnej rozci¹g³oœci synklinorium podhalañskiego, wyró¿niono piêæ zespo³ów spêkañ: dwa skoœne (SRi SL),
które po³¹czono w system diagonalny, oraz poprzeczny (T), pod³u¿ny (L) i subpod³u¿ny (L1’).
Ze wzglêdu na przyjêt¹ za Pricem (1959) grawitacyj-no-odprê¿eniow¹ teoriê powstawania ciosu, z zastrze¿enia-mi Al Kadhiego i Hancocka (1980), próbki z warstwy odrotowano do poziomu wraz ze spêkaniami ciosowymi. W pierwszej kolejnoœci odrotowano powierzchnie ³awic w obydwu skrzyd³ach synklinorium do poziomego po³o¿enia osi, a nastêpnie warstwy wraz ze spêkaniami do poziomu (Mastella i in., 1997; Ludwiniak, 2008). Podczas opra-cowania statystycznego korzystano ze specjalistycznego oprogramowania firmy Tectonics FP. Dane przedstawiono w postaci rozetowego diagramu sumarycznej orientacji zes-po³ów spêkañ w ods³oniêciu oraz diagramu po³o¿enia do-minant orientacji poszczególnych zespo³ów (ryc. 6B, C).
W przypadku piaskowców zakopiañskich charaktery-styczne kierunki spêkañ s¹ zgodne z kierunkami jawnych powierzchni ciosowych obserwowanych w terenie (ryc. 6A). Dodatkowo badania ultradŸwiêkowe wykaza³y istnienie m³odszego, nowego, ale zapamiêtanego przez ska³ê kie-runku spêkañ, którego nie obserwuje siê w terenie. Mo¿e to oznaczaæ, ¿e w toku dalszego wypiêtrzania i odprê¿ania Karpat w tym kierunku bêdzie postêpowa³o pêkanie. Jed-noczeœnie w podlegaj¹cym erozji odprê¿anym masywie skalnym bêd¹ siê ujawniaæ spêkania nale¿¹ce do starszych zespo³ów (Ludwiniak, 2008).
PODSUMOWANIE
W toku przeprowadzonych badañ stwierdzono, ¿e bada-nia ultradŸwiêkowe daj¹ mo¿liwoœæ ustalebada-nia zmiennoœci budowy wewnêtrznej materia³u skalnego. Wszelkie zmiany w budowie wewnêtrznej, tj. pory, laminy, mikroszczeliny, kierunkowoœæ u³o¿enia ziaren mineralnych czy minerali-zacja, s¹ przyczyn¹ zró¿nicowanego t³umienia fal ultra-dŸwiêkowych. W kierunkach zgodnych z powierzchniami ciosowymi czy te¿ w kierunkach wyd³u¿enia ziaren mine-ralnych fala pod³u¿na jest znacznie mniej t³umiona. Wska-zuje to na kierunkow¹ anizotropiê.
Mikronieci¹g³oœci wykryte metod¹ defektoskopii ultra-dŸwiêkowej nale¿y traktowaæ jako zal¹¿ki spêkañ analo-gicznych do spêkañ ciosowych obserwowanych w terenie, a ich funkcj¹ jest ukryta anizotropia ciosowa ca³ego masy-wu fliszowego (Boretti-Onyszkiewicz, 1968). Powierzch-nie u³atwionego podzia³u, za³o¿one w wyniku nagroma-dzenia energii sprê¿ystej, bêd¹ siê ujawnia³y podczas dalszego odprê¿ania masywu skalnego zwi¹zanego z wy-piêtrzaniem Karpat. Dlatego te¿ dok³adne rozpoznanie orientacji anizotropii akustycznej pozwala m.in. unikn¹æ b³êdów in¿ynierskich podczas realizacji wszelkich projek-tów geologiczno-in¿ynierskich podejmowanych w spêka-nym masywie skalspêka-nym.
Autorzy serdecznie dziêkuj¹ recenzentowi dr hab. in¿. Iwonie Jonczy za poœwiêcony czas i cenne uwagi. Praca by³a finansowa-na ze œrodków badañ statutowych Wydzia³u Geologii Uniwersy-tetu Warszawskiego (BST-173501 oraz DSM 108023).
LITERATURA
AL KADHI A. & HANCOCK P.L. 1980 – Structure of the Durma-Nisah segment of the central Arabian graben system. Saudi Arabian Directorate General of Mineral Resources Bulletin, 16: 1–40.
Ryc. 6. A – spêkania ciosowe w warstwie piaskowców zako-piañskich w Potoku Bia³y (fot. A. K³opotowska); B – diagram rozetowy orientacji zespo³ów spêkañ ciosowych; C – dominanty g³ównych zespo³ów spêkañ ciosowych; D – zmiennoœæ prêdkoœci fali pod³u¿nej
Fig. 6. A – joints within a Zakopane Sandstone bed in the Bia³y Stream (photo by A. K³opotowska); B – rose diagram of the orientation of joint sets; C – do- minants of the main sets of joints; D – variability of longitudinal wave velocity
BORETTI-ONYSZKIEWICZ W. 1968 – Anizotropia ciosowa piask-owców fliszowych Podhala Zachodniego w œwietle badañ wytrzyma-³oœciowych. Biul. Geol. UW, 10: 115–152.
DOMONIK A. 2007 – Anizotropia w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych ska³ fliszowych jako efekt oddzia³ywania naprê¿eñ na przyk³adzie piaskowców cergowskich z Komañczy. Geologos, 11: 133–141. DOMONIK A. (red.) 2012 – W³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe i od-kszta³ceniowe ska³. Cz. VI. Centralne Karpaty Zachodnie. Zak³ad Geo-mechaniki IHiGI Wydz. Geol. UW, Warszawa: 1–126.
DZIEDZIC A. 2005 – Ocena cech strukturalnych piaskowców kroœnie-ñskich z Mucharza (Beskid Ma³y) na podstawie pomiarów prêdkoœci ultradŸwiêkowej fali pod³u¿nej. Prz. Geol., 53 (7): 601–604.
GEDL P. 2000 – Biostratygrafia i paleoœrodowisko paleogenu Podhala w œwietle badañ palinologicznych. Cz. I. Stud. Geol. Polon., 117: 69–154. JONCZY I. 2000 – Uwagi o charakterystyce petrograficznej piaskowców godulskich ze z³ó¿ w Brennej. Zesz. Nauk. PŒl. Gór., 246: 195–211. KAMIENSKI M., PESZAT C. & RUTKOWSKI J. 1968 – O wykszta³-ceniu i w³asnoœciach technicznych piaskowców godulskich. Zesz. Nauk. AGH, Geologia, 12: 86.
KARSKA Z. 1987 – Geologiczno-in¿ynierska ocena w³asnoœci wytrzy-ma³oœciowych i akustycznych ska³ otaczaj¹cych z³o¿e barytu w kopalni „Stanis³awów” w Górach Kaczawskich. Arch. Wydz. Geol. UW, Warszawa. K£OPOTOWSKA A. & £UKASIAK D. 2011 – Zmiennoœæ wytrzy-ma³oœciowa piaskowców w warunkach krystalizacji siarczanu sodu oraz oddzia³ywania dwutlenku siarki. Biul. Pañst. Inst. Geol., 446: 143–148. LUDWINIAK M. 2008 – Ewolucja sieci spêkañ ciosowych we fliszu zachodniego Podhala (Karpaty wewnêtrzne, Polska). Prz. Geol., 56 (12): 1092–1099.
MASTELLA L., ZUCHIEWICZ W., TOKARSKI A.K., RUBINKIEWICZ J., LEONOWICZ P. & SZCZÊSNY R. 1997 – Application of joint analysis
for paleostress reconstructions in structurally complicated settings: Case study from Silesian nappe, Outer Carpathians (Poland). Prz. Geol., 45: 1064–1066.
OSZCZYPKO N., ŒL¥CZKA A. & ¯YTKO K. 2008 – Regionalizacja tektoniczna Polski – Karpaty zewnêtrzne i zapadlisko przedkarpackie. Prz. Geol., 56 (10): 927–935.
PINIÑSKA J. 2003 – W³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe i odkszta³ceniowe ska³. Czêœæ IV. Karpaty fliszowe. Katalog. Zak³ad Geomechaniki Wydz. Geol. UW, Warszawa.
PINIÑSKA J. 1981 – Zastosowanie ultradŸwiêków do oceny wytrzy-ma³oœci ska³. Technika Poszukiwañ Geologicznych., 4: 22–28. PINIÑSKA J., DOMONIK A., DZIEDZIC A. & £UKASIAK D. 2015 – The methodology of a complex engineering-geological approach to esta-blish a geopark: Case study of the Ma³opolska Wis³a River Gorge. Geol. Quart., 59 (2): 408–418.
PINIÑSKA J. & DZIEDZIC A. 2006 – W³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe i odkszta³ceniowe ska³. Cz. V. Region Lubelski. Katalog. Zak³ad Geome-chaniki IHiGI Wydz. Geol. UW, Warszawa: 1–97.
PRICE N.J. 1959 – Mechanics of jointing in rocks. Geol. Mag., 96: 149–167.
THIEL K. 1980 – Mechanika ska³ w in¿ynierii wodnej. PWN. ¯YTKO K., ZAJ¥C R., GUCIK S., RY£KO W., OSZCZYPKO N., GARLICKA I., NEMÈOK J., ELIÁŠ M., MENÈIK E. & STRÁNIK Z. 1989 – Map of the tectonic elements of the Western Outer Carpathians and their foreland. [W:] Poprawa D. & NemÀok J. (red.), Geological atlas of the Western Outer Carpathians and their foreland. Wyd. Geol., Warszawa. Praca wp³ynê³a do redakcji 11.05.2016 r.
