Circulatia apei in roci fisurate

Acest studiu este o incercare de a evalua relatiile intre tectonica rocilor si modelul de fracturare si curgere a apei subterane. In scopul exploatarii apei din roci fisurate, trebuie stabilita o buna modelare intre diferitele stiluri de fracturare. Din toate acestea se poate vedea marea importanta a studiului conditiilor de deformare a rocilor, in intelegerea modului de acumulare si de circulatie a apei subterane. Aplicatiile practice se regasesc in alimentarile cu apa subterana si la constructia de baraje. 

Problema resurselor de apa este mai dificila in regiunile formate din roci cu porozitate redusa, eruptive si metamorfice, acolo unde dezvoltarea ariilor urbane solicita tot mai multa apa. Daca, in general, resursele de apa sunt limitate, in cazul acviferelor din roci fisurate dificultatile sunt si mai mari.

Pe de alta parte, cunoasterea modului in care apa circula prin rocile fisurate este importanta pentru proiectarea si executia lucrarilor hidrotehnice, in special a barajelor.

In primul rand, neuniformitatea si neomogenitatea acestor acvifere le face dificil de prospectat. Dezvoltarea lor, de-alungul unor suprafete conjugate, le scoate in afara legilor de curgere a apei in depozite poroase, iar forma speciala a spatiilor goale (fisuri) face ca apa sa aiba o miscare cu totul aparte.

Singurele cai prin care apa se poate deplasa in rocile cristaline sunt: interstitii, clivaj, falii, fracturi, planuri de incalecare etc.

Pentru a dispune de un acvifer exploatabil, roca fisurata trebuie sa posede o buna conexiune intre diferitele tipuri de fracturi. Din aceasta se poate vedea ca studiul conditiilor de deformare ale rocilor are o mare importanta in intelegerea mecanismului de acumulare si de curgere a apei subterane.

PRINCIPII ALE DEFORMARII ROCILOR

Fundamentul cristalin, expus la diferite tipuri de stres, sufera trei tipuri principale de deformare: curgere uniforma, faliere si fracturare de extensie.

Curgerea uniforma se produce dupa trei mecanisme principale: cataclaza (granulare, sfaramare); alunecare interna (translatie, maclare); recristalizare (prin topire locala, difuzie solida, agenti de dizolvare).

Din punct de vedere hidrogeologic, cel mai important mecanism este cataclaza, deoarece produce sfaramarea, granularea sau fisurarea fina de-a lungul unor suprafete nesistematice, rezultand astfel proprietatea de a transmite apa prin roca.

Falierea cuprinde toate tipurile de fracturare in roci, la care peretii opusi se deplaseaza unul fata de calalalt de-a lungul suprafetei de rupere, producand o saritura.

Multi autori impart faliile in doua categorii principale, dupa dislocarea produsa. Falia se dezvolta de-a lungul unei suprafete de alunecare definite. Acest tip de falie se caracterizeaza, adesea, prin oglinzi de frictiune si, in general, este inchis circulatiei apei. Falia este distribuita pe o zona relativ ingusta, foarte framantata si care prezinta o structura cataclastica pana la milonitica.

Latimea zonei de sfaramare este proportionala cu amplitudinea miscarii de faliere, ajungand, uneori, la mai multe zeci de metri. In acest caz, se dezvolta o zona de breciere, care joaca un rol important in miscarea apei subterane. In unele cazuri insa, elementele breciei sunt prinse intr-o argila de falie, astfel ca intreaga zona devine, practic, impermeabila.

Fracturile de extensie (sau fisurile) sunt fracturi la care deplasarea este perpendiculara pe suprafata de rupere. Aceste fracturi sunt deschise si deci, sunt cele mai importante pentru circulatia apei in rocile cristaline. In principiu, fisurile se dezvolta paralel cu directia tensiunii principale (maxim) si perpendicular pe directia tensiunii minime.

Existenta fisurilor in rocile supuse presiunii litostatice din subteran se explica prin concentrarea stresului pe zone de slaba rezistenta sau fisuri deja formate si prin concentrarea tensiunii in neomogenitati ale rocii. Fisurile sunt caracterizate prin suprafese aspre, neregulate, adesea concoidale. De obicei, suprafetele de fisurare sunt plane in zona centrala si ondulate spre margini. Cea mai importanta caracteristica a lor este ca sunt totdeauna deschise, singura problema fiind realizarea unei conexiuni intre ele, pentru a permite o buna circulatie a apei.

CONSIDERATII MORFOLOGICE

Relieful poate da informatii importante privind tectonica rocilor in adancime, precum si rezistenta lor la atacul agentilor externi. Intensitatea dezvoltarii reliefului depinde, in principal, de rezistenta mecanica a rocilor, dar in terenuri formate din roci, cu proprietati fizico-mecanice apropiate, relieful depinde numai de activitatea tectonica.

Activitatea tectonica dintr-o regiune poate fi impartita in doua mari faze, in raport cu geneza rocilor sedimentare sau cristaline si anume: o faza singenetica si una post genetica.

La rocile sedimentare miscarile tectonice singenetice determina crearea conditiilor de acumulare a sedimentelor, diagenizarea lor transformandu-le apoi in roci.

La rocile cristaline miscarile singenetice sunt implicate in construirea structurii interne cristaline, rearanjarea mineralelor, crearea sistuozitatii, ajungand in extremis la transformarea in magme. Deformarile post genetice sunt implicate in morfologia regiunii, prin cutarea si divizarea rocilor in blocuri mai mici sau mai mari si prin compartimentarea masivelor.

Blocurile se pot comporta ca unitati rigide, fara deformari interne, numai cu miscari relative intre ele. Formele cutate influenteaza mai putin relieful. De obicei, intr-o regiune formata din roci sedimentare dure sau roci cristaline, principalele vai sunt localizate pe faliile sau zonele fracturate mai importante. Acest fenomen se datoreaza faptului ca fracturile de toate felurile reprezinta zone de rezistenta slaba, fiind mai vulnerabile la eroziune si alterare. In mare, se poate spune ca vaile impart regiunea in unitati morfologice si, de asemenea, in unitati tectonice.

Daca privim o aerofotograma, in paralel cu o harta geologica, putem distinge multe detalii tectonice ale zonei respective. In general, este usor de vazut ca directia principalelor vai este directia sistemului major de fracturare din regiune. De asemenea, in zonele de breciere se dezvolta vai importante, care sunt, de cele mai multe ori, principalii colectori din regiune, atat pentru apele de suprafata, cat si pentru apele subterane din reteaua de fracturi a rocilor.

Blocurile dintre aceste vai au inaltimi diferite, conform rezistentei rocilor componente la alterare si proportional cu ridicarea tectonica.

ANALIZA FISURILOR SI ASPECTUL TECTONIC

Caracteristicile rocilor cristaline care implica proprietati hidrologice sunt: clivajul, fisurarea, falierea.

Clivajul apare numai in rocile metamorfice (cristaline) si este o foliatie secundara a rocii.

In aceasta lucrare este mai convenabil sa se foloseasca o clasificare a clivajului dupa relatiile geometrice cu structurile de scara mare, ca: stratificatia si planul axial al cutelor, precum si cu structura interna a rocilor afectate de clivaj.

1. Clivajul axial este un set singular de suprafete plane, paralele la planul axial al cutei. Este mult mai dezvoltat pe zonele de curbura maxima, decat pe flancurile cutei.
2. Clivajul pe stratificatie este un set singular de suprafete plane, paralele cu stratificatia initiala a rocilor. De obicei, aceasta este structura sistuoasa si gnaisica.
3. Clivajul inclinat pe stratificatie si pe planul axial al cutei – apare cu doua sau mai multe seturi de suprafete inclinate unele spre altele. Acest clivaj este determinat de structura interna a rocii.

Clivajul datorat orientarii paralele a mineralelor tabulare – este independent fata de stratificatia initiala si in general, este orientat relativ simetric fata de planul axial al cutei.

4. Clivajul de fracturare – reprezinta o fracturare foarte fina si densa datorita unei tensiuni, dupa unii autori, sau datorita unei forfecari, dupa altii. Clivajul datorat recutarii unor sisturi – apare ca un set de fracturi de forfecare sub influenta unei noi deformari.

Fisurile sunt fracturi de-a lungul carora nu exista deplasare sau aceasta este foarte mica. In multe cazuri, o usoara deplasare normala pe planul de fisurare face ca ele sa fie fracturi deschise. Referitor la pozitia lor relativa, fisurile pot fi sistematice si nesistematice.

Fisurile sistematice apar in seturi paralele si subparalele. De obicei, fisurile au suprafete plane sau usor curbate si sunt aproximativ perpendiculare pe suprafata superioara sau inferioara a rocii. Fisurile sistematice intersecteaza alte fisuri. Fisurile nesistematice intalnesc, dar nu intersecteaza, alte fisuri. Au in general suprafete curbe, care frecvent se termina la planele de stratificatie.

Daca ne referim la pozitia fisurilor fata de orientarea generala a structurii, ele pot fi longitudinale, transversale si oblice.

1. Fisurile longitudinale sunt, in mare, paralele la axul cutei si sunt, adesea, denumite fisuri de relaxare. De obicei, aceste fisuri au inclinari mari.
2. Fisurile transversale sunt perpendiculare pe axul cutei si in mod normal au inclinari mari. Ele sunt fisuri de extensie, deci sunt totdeauna deschise. In general, se termina pe fisuri sistematice si au o suprafata foarte neregulata.
3. Fisurile oblice apar in seturi perechi aranjate simetric in raport cu primele doua sisteme si inter-
   sectandu-le. Aceste fisuri realizeaza legatura intre primele doua sisteme, rezultand, astfel, o buna transmisivitate a apei prin roca.

Adancimea fisurarii este un factor important pentru apele subterane din rocile cristaline. Fisurarea este o caracteristica generala pentru aproape toate rocile cristaline cutate sau care au suferit actiunea unui stres.

Este, de asemenea, bine cunoscut faptul ca fisurarea are o adancime limitata. Daca mecanismul producerii fisurarii este foarte controversat, in schimb toti autorii sunt de acord ca fisurile nu mai pot exista la o adancime mai mare de 600 de metri de la suprafata. Fisurile sunt deschise suficient de mult pentru a permite circulatia usoara a apei pe circa 200 m de la suprafata, dar din punct de vedere economic, ele dau o buna eficienta numai pe primii 100 m. Daca se foreaza mai adanc in roca, pretul forajului va creste mult mai mult decat cresterea debitului de apa pompabil, astfel operatiunea devine total nerentabila.

FALIILE

Faliile au o importanta regionala atat din punct de vedere geologic cat si hidrogeologic. Capacitatea lor de a stoca si transmite apa depinde de mai multi factori, cum ar fi: geneza, miscari secundare, colmatare cu argila de falie, circulatia fluidelor hidrotermale.

Raportate la structura regionala, faliile pot fi, de asemenea, longitudinale, transversale si oblice. Dupa miscarea relativa a compartimentelor, faliile se impart in normale (compartimentul de deasupra este coborat) si inverse (compartimentul de deasupra este ridicat).

Faliile normale (sau gravitationale) sunt produse de un stres de tensiune, deci ele pot prezenta numeroase goluri, fiind astfel deschise circulatiei apei. Faliile inverse (sau de incalecare) sunt produse ale unui stres de compresiune si prezinta frecvent oglinzi de frictiune. Oglinzile de frictiune arata ca peretii au fost puternic presati unul de celalalt, deci nu exista spatii goale disponibile deplasarii apei si faliile de acest gen pot fi considerate inchise.

O alta clasificare, bazata pe aspectul regional, imparte faliile in paralele, circulare si radiale. Faliile paralele au, in principiu, aceeasi directie si inclinare, fiind, de obicei, izolate unele de altele. Uneori, faliile paralele pot fi grupate cu distante mici intre ele. Faliile circulare si radiale sunt, de obicei, asociate cu corpuri eruptive intruzive. Faliile radiale realizeaza un bun sistem de drenare, facand legatura intre diferite sisteme de fisuri de pe o suprafata intinsa.

Zonele cataclastice reprezinta falii mai vechi ale fundamentului cristalin. Caracterul cataclastic al unei roci poate fi recunoscut fie macroscopic, prin observarea unei intense fisurari, fie microscopic, prin determinari pe sectiuni subtiri, cand procesul este mai intim. In functie de scara cataclazei, proprietatile hidrogeologice pot fi mai mult sau mai putin intense.

Zonele de breciere sau breciile de falie pot fi importante colectoare de apa prin porozitatea lor ridicata.

Miscarile secundare ale faliilor, precum si fenomene determinate de alti factori (cum ar fi fluidele hidrotermale, caolinizare etc.), pot inchide total spatiile libere ale unor falii deschise sau brecii.

MODELUL DEFORMARII RUPTURALE POSTGENETICE

I. Larsen (1963) [3] a propus un model integrat al deformarii rupturale postgenetice. Pentru a face mai vizibila dispunerea fracturilor printr-o reprezentare tridimensionala, Larson a conceput un model al celor mai frecvente directii de fracturare. La acest model, planele de fracturare (coincizand la suprafata cu vai) sunt raportate la un sistem de coordonate rectangulare tridimensional: a, b, c.

Planul ac este, in mod ipotetic, considerat a fi planul de deformare si este denumit planul integrat de deformare. Planul ab este, in mod ipotetic, paralel cu suprafata terestra (considerata a fi plana si orizontala). Axa a corespunde cu directia fortei tectonice care provoaca deformarea (cutarea) rocilor. Axa b a modelului coincide tectonic cu axa de cutare B. Intersectiile unui plan cu axele sunt notate cu: h cu axa a, k cu axa b, l cu axa c. Axa care nu este intersectata de un plan oarecare este notata cu 0. In acest mod un plan care intersecteaza toate axele va fi notat cu hkl, unul care intersecteaza axele a si b va fi notat hk0, iar un plan care intersecteaza axele a si c va fi notat h0l. Planul ac corespunde fracturilor de extensie, planul hk0 fracturilor de forfecare, iar planul h0l corespunde fracurilor de incalecare prin ruperea cutelor (fig. 1).

Caracteristicile planului integrat de deformare ac sunt (fig. 2):

• la suprafata sunt reprezentate prin vai lungi si deschise (largi), perpendiculare pe axul de cutare B, intersectand diferite tipuri de roci si cute, independent de structura anterioara deformarii;
• caracterul de fisuri de extensie este evident, indicat de pante abrupte ale versantilor si clivaje deschise. Oglinzile de frictiune sunt absente.

Caracteristicile planului integrat de forfecare hk0 sunt: vai inguste intersectate, oblice fata de axul de cutare B. Au structura unui clivaj cu frecvente oglinzi de frictiune, brecii si milonite. In general, aceste clivaje sunt inchise pentru apa.

Caracteristicile planului integrat de deformare h0l sunt: suprafete de sariaje si incalecari, ca rezultat al scurtarii terenului, pe plane cu inclinari mici si frecvente oglinzi de frictiune.

CONSIDERATII HIDROLOGICE

Proprietatile hidrogeologice ale rocilor fisurate sunt foarte diferite de cele ale rocilor poroase. Practic, in aceste roci nu exista porozitate, iar neuniformitatea si neomogenitatea au un grad de variatie foarte mare si deci, nu se poate vorbi de permeabilitate, transmisivitate, capacitate de inmagazinare etc., ca la rocile poroase.

Uneori, pentru a putea utiliza o anume metodologie de calcul, se fac estimari pentru a se echivala transmisivitatea si capacitatea de inmagazinare.

Pomparile experimentale efectuate intr-o sonda sapata in roci fisurate sunt valabile numai pentru o zona restransa, din cauza neomogenitatii fisurarii. Pentru un acvifer de importanta regionala, o roca fisurata poate fi considerata omogena, dar si in acest caz, existenta unei falii mari ii imprima un caracter foarte neomogen.

In toate calculele hidrogeologice miscarea apei in subteran este asimilata cu o curgere orizontala, plan paralela sau radiala in cazul forajelor. In cazul unei falii intercceptate de o sonda, miscarea apei se face pe un plan inclinat, pe unele directii ascendent, pe altele descendent, cu pante hidraulice variabile. Toti acesti factori variabili fac imposibila aplicarea legilor hidrogeologice si formulelor generale de calcul la acviferele din roci fisurate. In mod practic, se constata ca datele obtinute dintr-o pompare experimentala in roci fisurate nu se preteaza la analiza conventionala a curgerii subterane.

Multi autori au incercat sa compare capacitatea de inmagazinare si transmisivitatea calculate cu ajutorul datelor obtinute din pompari experimentale din numeroase sonde cu valorile obtinute prin metoda bilantului hidrogeologic. In toate cazurile, a doua metoda a dat valori mai mari decat prima. Explicatia este data de faptul ca, intr-o pompare pe o perioada scurta, este antrenata numai apa continuta in fisurile larg deschise, in timp ce la metoda bilantului hidrogeologic sunt luate in considerare toate fisurile, inclusiv cele cu o deschidere mica prin care apa circula mai lent.

PROSPECTIUNI PENTRU APE SUBTERANE

Rocile eruptive si metamorfice, care formeaza fundamentul cristalin, fac parte din categoriile tari, foarte tari si extra tari. Forajul in aceste roci este o operatiune scumpa si deci, limitata de volumul investitiilor. De aici se poate trage concluzia ca, inaintea forarii sondelor, regiunea trebuie studiata temeinic pentru a se stabili cele mai favorabile zone.

Acelasi lucru trebuie facut si in cazul unui baraj din beton, pentru proiectarea voalului de etansare, precum si a lucrarilor de consolidare a versantilor.

Studiul va incepe cu o faza de birou, constand in cercetarea pe aerofotograme si harti topografice a reliefului regiunii si corelarea cu hartile geologice existente. Corelarea dintre suprafata si subteran nu poate fi exacta si lasa loc la interpretari, dar in mare, se poate presupune ca aspectul morfologic al terenului este dependent de structura tectonica a rocilor din subteran. Deci, se pot obtine, totusi, informatii utile asupra modului de drenare si de circulatie a apelor subterane.

In a doua faza, pe teren, se va examina geologia regiunii din punct de vedere petrografic si tectonic, la scara mare si in detaliu. Se va studia densitatea fisurari si gradul de deschidere al diferitelor sisteme de fracturi, totul corelat cu posibilitatile de infiltrare a apei, precum si de drenare in interiorul sau in afara zonei fracturate. Se vor studia: clivajul sinorogenic cutarii rocilor, fracturile si granulatia postorogenica si relatia lor cu morfologia terenului.

Deseori, fracturile post orogenice sunt vizibile pe harti ca vai persistente lungi intersectand roci diferite, apartinind unor structuri diferite. Cea mai frecventa si intensa directie a vailor se presupune a fi aceea a planului principal de fracturare (planul ac). Reprezentand diferitele sisteme de fisuri, se poate construi modelul integrat de deformare pentru regiunea respectiva. Cu ajutorul acestui model se pot stabili zonele cele mai favorabile acumularilor exploatabile de apa. In cazul barajelor, modelul este util in depistarea zonelor unde se vor prevedea lucrari ample cu injectii de ciment, pentru realizarea voalului de etansare.

In sfarsit, pentru a putea stabili posibilitatile de infiltrare a apei in roci, se vor studia depozitele cuaternare acoperitoare.

Dupa incheierea lucrarilor din teren, se va intocmi o harta morfo-tectonica, in care regiunea va fi impartita in blocuri si zone fracturate. In vederea proiectarii unui foraj este important sa se evite saparea intr-un bloc in care fisurarea are o densitate si deschidere scazute, deci legatura cu sistemele majore de drenare este slaba. Locatia cea ma favorabila, pentru exploatarea apei subterane, va fi in centrul unei zone fisurate sau falii importante care intersecteaza toate celelalte sisteme de fracturi.

METODE GEOFIZICE

Masuratorile seismice furnizeaza date privind viteza de transmitere a undelor in diferite directii intr-o anumita zona. Vitezele mari indica roci dure, compacte, pe cand vitezele scazute indica roci fisurate, sfaramate. Frecventa ridicata a vitezelor mici intr-o anumita zona o defineste ca limita intre doua sau trei blocuri care au fost deplasate diferential si eventual, sfaramate la contactul lor.

Masuratorile rezistivimetrice pot da informatii aproximative asupra permeabilitatii aparente intr-o roca fisurata. Pentru cele mai multe roci, valoarea rezistivitatii scade proportional cu fisurarea acvifera.

Metodele geofizice utilizate in forajul hidrogeologic sunt: cavernometria, conductivitatea electrica, temperatura si rezistivitatea noroiului. Cand diagrama de cavernometrie indica pereti netezi, inseamna ca roca strabatuta este masiva si compacta, deci lipsita de apa. In cazul in care diagrama se prezinta ca o linie franta foarte neregulata, roca respectiva este fisurata, deci posibil acvifera. Curba conductivitatii electrice a sondei creste brusc in locurile unde roca este fracturata si purtatoare de apa. Curba de variatie a temperaturii este foarte neteda, dar in locul unde este un aflux de apa in sonda curba prezinta o saritura. Pentru metoda rezistivitatii noroiului, se face intai o circulatie buna cu noroi sarat, dupa care se fac mai multe masuratori cu un electrod izolat de peretele sondei. Diagrama va indica o crestere a rezistivitatii in locurile unde exista un aflux de apa.

CONSIDERATII CALITATIVE

Apele subterane din rocile fisurate sunt expuse actiunii mai multor agenti, care le pot degrada calitatea.

In primul rand, apele pot fi poluate in mod natural de catre fluidele hidrotermale reziduale, care sunt prezente, uneori, in regiunile cu roci eruptive. Aceste fluide pot duce la cresterea concentratiei unor metale grele toxice ca: plumb, stibiu, arsen, bismut etc., sau pot imprima apei un miros neplacut prin prezenta hidrogenului sulfurat.

Un alt fenomen este dizolvarea de catre apa a elementelor continute in roci. Aceasta se refera nu numai la zacamintele de sulfuri metalice, care apar rareori, ci si la extractia de ioni din reteaua silicatilor, fenomen prezent pretutindeni. Daca sfaramarea intensa a rocii o deschide circulatiei apei, aceasta provoaca, de asemenea, si cresterea cantitatii de ioni metalici dizolvabili din silicati. Deci, o analiza preliminara a izvoarelor din regiune va fi foarte utila pentru evitarea zonelor cu concentratii mari de ioni metalici in apa.

O problema importanta este poluarea artificiala a apelor subterane din roci fisurate. In zonele cu roci fisurate infiltrarea apei se face foarte rapid si respectivele acvifere nu sunt protejate de strate acoperitoare impermeabile, astfel ca poluarea cu ape reziduale este foarte periculoasa. In consecinta, in vederea proiectarii unei exploatari acvifere se va acorda o atentie deosebita stabilirii directiei generale de curgere si a perimetrului de protectie.

CONCLUZII

Problema apei in rocile fisurate este foarte dificila. Forajul in aceste roci este scump, iar probabilitatea unui esec este mai ridicata decat in depozitele sedimentare.

Scopul acestei lucrari este de a sugera o metoda de studiere a apelor subterane din regiunile cu roci eruptive si cristaline, folosind, ca metoda de lucru, cercetarea tectonica in vederea stabilirii celui mai favorabil amplasament pentru un foraj.

Privitor la sansele de a obtine un debit exploatabil de apa, cea mai buna locatie este pe planul ruptural, paralel cu directia stresului principal (planul ac). Aceste fracturi sunt in conexiune cu toate celelalte sisteme de fisuri si ele insele au o deschidere relativ mare.

Folosirea modelului integrat trebuie facuta, totusi, cu precautie, avand anumite limite de aplicabilitate, ca de altfel orice model sau generalizare.

BIBLIOGRAFIE

1. Dumitrescu, I., Geologie Structurala;
2. Haindl, L. A., 1965, Groundwater in Fractured Volcanic Rocks in Southern Arizona, Proceedings of the Dubrovnic Symposium;
3. Larson, L., 1966, Groundwater in Granite Rocks and Tectonik Models, Nordic Hydrology 3, 1972;
4. Rasmunssen, W. C., 1963, Permeability and Storage of Heterogeneous Aquifers in the U.S., General Assembly of Berkeley.

Autor:
Eugen Anghel – SC INTERDEVELOPMENT SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 133 – ianuarie-februarie 2017, pag. 44