Debreceni Egyetem, Földtudományi Intézet, Ásvány- és Földtani Tanszék
Abstract
Rock Mass Rating (RMR) of natural rock masses was carried out in the Bükk Mts. on the basis of the following parameters: unconfined compressive strength, Rock Quality Designation (for quantifying partings), parting distance, character of parting surfaces, presence of water along parting surfaces and the orientation of partings. Slopes formed in the studied rock masses were also qualified using Slope Mass Rating (SMR) on the basis of RMR qualification.
Based on the results, rock mass strength is not dependent on the formation to which the rocks were classified. It is more likely that the structure and deformed character of the rocks determine the strength of rock masses and the stability of slopes. Accordingly, parting conditions may have the most important role in the strength conditions of natural rock masses and also in the resistivity of certain areas to erosion.
Kulcsszavak: kőzettest szilárdság, kőzettest minősítés, RMR, SMR, Bükk hegység
1. Bevezetés
A földtani felépítés és egy-egy táj geomorfológiai arculatának kapcsolata régóta a geomorfológiai kutatások egyik vizsgálati területe (Birot 1958; Twidale 1971). Számos kutatás kereste a kapcsolatot a szerkezeti és a morfológiai elemek (Scheidegger 2001; McIntosh 2014), vagy a földtani közeg szilárdsága és a lejtésviszonyok (Telbisz 1999; Püspöki et al. 2005) között.
E kutatások a földtani közeg szilárdságát, ellenálló képességét alapvetően egy paraméterrel, leggyakrabban az egyirányú nyomószilárdság értékével jellemezték. Jelen tanulmányban a célunk az, hogy a földtani felépítés és a morfológiai kép kapcsolatának vizsgálatában a földtani közeg szilárdságát több paraméter alapján kíséreljük meg jellemezni. A paramétereket a mérnöki gyakorlatból vettük át, ahol ezeket elsősorban mesterséges kőzetekre, fúrómagokra, vagy természetes kőzettestekben kialakítandó mesterséges létesítményekre (útbevágás, vasúti bevágás, alagutak, stb.) alkalmazzák. Úgy gondoltuk azonban, hogy a földtani közeget alkotó kőzetek szilárdságát ezekkel a paraméterekkel komplexebben lehetne jellemezni, mint egyetlen – gyakran laboratóriumi körülmények között mért – paraméter értékével.
Jelen tanulmányban a Bükk hegység néhány területén paleozóos és mezozóos formációk feltárásain végeztük el a kőzettest minősítést. Reményeink szerint az eredmények alapján nagyobb területre és számos formációra elvégezhető lesz a minősítés, s így megvizsgálhatjuk, hogy mely képződmények mennyire ellenállók a denudációval szemben és hogy van-e valamilyen területi összefüggés a kőzettestek ellenálló képességében, vagy az ellenálló képesség és a völgysűrűség, illetve egyéb morfológiai paraméterek között.
2. Anyag és módszer
A Bükk hegység északnyugati részén (1. ábra), a Garadna-völgy völgyfőjének közelében 29 feltárás kőzettestén végeztünk el RMR (Rock Mass Rating) és SMR (Slope Mass Rating) minősítést. A terület kőzetei 2 paleozóos (karbon és perm), valamint 3 triász korú formáció képződményeihez tartoznak.
A mérnöki gyakorlatban üregállékonyság, üregbiztosítás érdekében kifejlesztett RMR értékelés (Bieniawski 1973) feltárásokban megjelenő kőzettestek értékelésre is alkalmas (Gálos – Vásárhelyi 2006). Az RMR érték paraméterekhez rendelt jelzőszámok összege, maximálisan (az eredetit módosítva) 120. A paramétereket (egyirányú nyomószilárdság, RQD érték, tagoló felületek távolsága, tagoló felületek jellege, víz jelenléte és a tagoló felületek iránya) minden egyes feltárásra külön mértük, illetve becsültük.
A mérnökgeológiai gyakorlatban a kőzettestet alkotó kőzettömbök egyirányú nyomószilárdságának ismerete az egyik legfontosabb anyagjellemző. Egy kőzet osztályozása, minősítése általában a nyomószilárdság alapján történik (Gálos – Vásárhelyi 2006). Az egyirányú nyomószilárdság pontos megadásához szabvány szerinti próbatesten törőszilárdság mérésére van szükség laboratóriumi körülmények között. Egyelőre erre nem volt megfelelő számban lehetőségünk, így az egyirányú nyomószilárdságot Schmidt kalapács segítségével terepen, közvetlenül a feltárások kőzetén becsültük (Aydin 2015). A becslés alapjául szolgáló feltárásonkénti, vagy szakaszonkénti 30 méréshez egy Proceq Silverschmidt PC N típusú Schmidt kalapácsot alkalmaztunk.
A tagoltság mértékét a Deere (1968) által kidolgozott, majd Gálos (1985) által módosított Rock Quality Designation (RQD) értékkel jellemeztük. A szabad sziklafalakon mind függőleges mind vízszintes irányban mértünk RQD értéket a vertikális és a horizontális tagoltság jellemzésére az alábbi képlet alapján:
RQD=h10/h×100
ahol h10 a 10cm-nél hosszabb szakaszok hossza, h pedig a vizsgált szelvény teljes hossza.
Tagoltság alatt mindazokat a diszkontinuitásokat (anyagi folytonossági hiányokat és hibákat) értjük, amelyeket kőzetképződési, tektonikai vagy egyéb tönkremeneteli folyamatok eredményeztek (Gálos – Vásárhelyi 2006). A tagoló felületek távolságának meghatározásánál a két tagoló felület közötti lineáris távolságot mértük meg. Véletlenszerű elrendezésben vagy szakaszonként 10 mérést, vagy – ha csupán egy szakaszból állt a feltárás – 30 mérést végeztünk egy feltárásban, majd a mérések átlagát vettük az RMR értékeléshez.
72
A tagoló felületek minősítésekor szemrevételezéssel értékeltük az érdességi viszonyokat, a mállottság mértékét, illetve a tagoló felületek közötti teret kitöltő anyagot. Megvizsgáltuk azt is, hogy a tagoló felület vetővé alakult-e, van-e rajta agyagos bevonat, mivel ennek jelenléte nagy szerepet játszhat a kőzettömb elmozdulásában, stabilitási viszonyainak gyengítésében (Gálos – Vásárhelyi 2006).
Szintén szemrevételezéssel értékeltük a víz jelenlétét a tagoló felületeken. Bár a tagoltság mértékadó irányát az RMR értékeléshez szemrevételezéssel állapítottuk meg, később az SMR értékeléshez geológus kompasszal ki is mértük.
Mivel a vizsgálataink alapvetően lejtőkön, sziklarézsűkön található feltárásokban feltárt természetes kőzettestekre vonatkoznak, elvégeztük a kőzettestek által alkotott lejtős térszínek Slope Mass Rating (SMR) értékelését is. Romana (1985) módszere az RMR értékelésen alapul és az RMR értéket módosítja négy paraméterrel (F1, F2, F3, F4) az alábbiak szerint:
SMR=RMR+(F1×F2×F3 )+F4
Az F1, F2 és F3 tényező a tagoltság és a feltárás közötti geometriai viszonyoktól függő tényezők (a kőzettest és a tagoltság csapásirányainak különbsége, a tagoltság átlagos dőlésszöge, a kőzettest és a tagoltság dőlésszögeinek különbsége), míg az F4 az emberi beavatkozás jellegétől és mértékétől függ, ahol az érték jelen esetünkben a természetes lejtőkre Romana (1985) által tapasztalati úton meghatározott konstans.
3. Eredmények
A felmért feltárásokban az azonos formációhoz tartozó kőzetek igen eltérő megjelenést, szerkezeti igénybevettséget és deformációkat mutattak. A 2. ábrán látható, hogy a Mályinkai Formáció paleozóos mészköve mennyire eltérő képet mutat egy nagyívű redő szárnyába rendezve (2/A ábra), s a középső, sárgásbarna színű szakaszon erőteljesen deformálva kisméretű, diszharmónikus redők kaotikus sokaságával (2/B és C ábra).
A feltárásokon mért paraméterek alapján számított RMR értékeket az 1. táblázat tartalmazza. A legnagyobb értékek (67, 65) éppen nem érik el a kedvező minősítés (III. kategória) alsó határát, míg a legkisebb érték (16) nagyon kedvezőtlen minősítésbe esik (V. kategória). A kőzettestek csaknem 60%-a megfelelő, míg majdnem 40%-a kedvezőtlen minősítést kapott.
Az SMR értékeléshez elkészült a vizsgált terület lejtőkategória és lejtőkitettség térképe annak érdekében, hogy a megfelelő tényezőket számolni tudjuk. Az SMR értékek, amelyek szintén az 1. táblázatban láthatók, a viszonylag kis szilárdságú
1. ábra: A vizsgált terület helyzete a Bükk hegységben
2. ábra: A Mályinkai Formáció anyaga a Mályinka 3A feltárásban (A), a feltárás középső szakaszának kinagyított felvétele (B), illetve a vékonylemezes-laminált, kaotikusan gyűrt mészkő kisméretű redőinek közeli fotója (C)
A B
C
1. táblázat: A Bükk hegységben felmért feltárások RMR és SMR értékei
Feltárás Formáció RMR SMR Kőzet Feltárás Formáció RMR SMR Kőzet
Mályinka 3A Mályinkai Fm. 52 67
74
kőzettesteken kialakult lejtős térszínek nagyobb stabilitását mutatják.
A feltárások lejtőinek csaknem 25%-a stabil (átlagos pontszámuk 74,3), 70%-a pedig részlegesen stabil minősítést ért el (átlagos pontszámuk 58,1). Mindösszesen két olyan feltárás van, amelyek instabil lejtőkön alakultak ki, ezek azonban eltérő formációkat és eltérő területeket képviselnek.
A feltárt kőzetek a szakirodalomban alapvetően nagy egyirányú nyomószilárdsággal jellemzettek (Püspöki et al. 2005), ugyanakkor a több tényezőt is figyelembe vevő RMR értékelés inkább közepes, illetve gyenge kőzettest szilárdságot mutat.
Ennek oka elsősorban a tagoltságban keresendő. A kevéssé tagolt és kevéssé mállott, jó megtartású feltárások (4/A. ábra) kapták a legnagyobb RMR értéket, míg vannak olyan kőzettestek, amelyekben a mészkő sakktábla szerűen tagolt (4/B. ábra), vagy olyan erőteljes igénybevételnek lett kitéve, ami szinte felmorzsolta (4/C. ábra).
4. Következtetések
Az eredmények alapján megállapíthatjuk, hogy a tagoltság döntően befolyásolja a kőzettestek szilárdságát. A legnagyobb értékkel, azaz legjobb szilárdsággal jellemezhető feltárások zöld ellipszissel, illetve téglalappal vannak jelölve az 5. ábrán (Nyárjú-hegy pereme és keleti gerince, 1., 2. és 3. számú területek). A leggyengébb kőzettestek piros téglalappal, illetve körrel vannak jelölve. Megállapíthatjuk, hogy a leginkább ellenálló, legnagyobb szilárdsággal jellemezhető kőzettestek az egységes felépítésű és alig tagolt gerincek és csúcsok térségében találhatók. Ezzel szemben a leggyengébb ellenállású, legkisebb szilárdsággal rendelkező kőzettestek olyan völgyekben találhatók, amelyekbe mellékvölgyek csatlakoznak (5. ábra) (Száraz-völgy Ny-i és középső területe, 4. és 5. számú területek, valamint a Borovnyák 18 és Ómassa-1 feltárások, illetve a Recem-völgy és a Moldva-Recem-völgy találkozási területe). A főRecem-völgyek és mellékRecem-völgyek a Mohr féle törésrendszer főtörései, valamint melléktörései mentén alakulhattak ki, azok irányát követik. A völgyek találkozási területei, tehát feltehetően főtörések és melléktörések találkozási területei is, ahol szerkezeti erőhatások erőteljesen deformálták, összetörték a kőzettesteket.
Mivel a tagoltság nagyban függ a kőzettest lokális deformációjától, a vizsgált kőzettestek szilárdsága nem terjeszthető ki egy-egy formációra, vagy kőzettípusra. Bármilyen formáció, vagy kőzettípus mutathat kisebb, vagy nagyobb kőzettest szilárdságot, tehát azt minden feltárásra, illetve kőzettestre vonatkozóan önállóan kell vizsgálni.
A legjobb megtartású, legnagyobb szilárdsággal jellemezhető kőzettestek az egységes felépítésű, legkevésbé tagolt kőzettestek, amelyek általában egy-egy szerkezeti blokk belső területein, vagy hegygerinc peremén találhatók. Ezzel 4. ábra: Kevéssé tagolt, jó megtartású (a), illetve erősen tagolt, törésekkel sűrűn átjárt (b), valamint teljesen felmorzsolt (c) mészkőtestek
a Bükk hegységben
a b c
5. ábra: Jó (zölddel határolt területek) és gyenge (pirossal határolt területek) kőzettest szilárdsággal jellemezhető kőzettestek a Bükk hegységben
szemben a legkevésbé ellenálló, legkisebb szilárdsággal jellemezhető kőzettestek tagoló felületekkel sűrűn átjártak, a szerkezeti erőhatások miatt erősen deformált, szinte felmorzsolt kőzettestek, amelyek általában nagyobb völgyek találkozási pontjában, azaz főtörések metszéspontjában helyezkednek el. Bár a vizsgált területen a kőzettestek megjelenése, tagoltsága nagy változatosságot mutat, ez változatosság a kőzettest minősítésekben kis mértékben jelenik meg. Valószínű, hogy az egyes paraméterek súlyozott figyelembevétele árnyalhatná azok minősítését. A súlyozás rendszerének kidolgozása az jövőbeni vizsgálatok célja lehet.
Köszönetnyilvánítás
McIntosh Richard William kutatása a TÁMOP-4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program című kiemelt projekt által nyújtott személyi támogatással valósult meg. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális alap társfinanszírozásával valósul meg.
Encs Balázs kutatómunkáját a DETEP tehetséggondozó program támogatta.
5. Irodalomjegyzék
Aydin A. (2015): ISRM suggested method for determination of the Schmidt hammer rebound hardness: revised version. In: Ulusay R. (ed.) The ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 2007–2014. Springer International Publishing, Switzerland, pp.
25–33. doi: 10.1007/978-3-319-07713-0
Bieniawski Z.T. (1973): Engineering classification of jointed rock masses. Civil Engineer in South Africa, 15(12), pp. 335–344.
Birot P. (1958): Morphologie Structurale. Presses Univers, Paris
Deere D.U. (1968): Geological considerations. In: Stagg K.G. – Zienkiewicz O.C. (eds.) Rock mechanics in engineering practice, Wiley, New York, pp.
1–20.
Gálos, M. (1985): A kőzettagoltság meghatározásának és ábrázolásának módszerei. Mélyépítéstudományi Szemle, 33(4), pp. 171-176.
Gálos M. – Vásárhelyi B. (2006): Kőzettestek osztályozása az építőmérnöki gyakorlatban. Műszaki Egyetem, Budapest McIntoshR.W. (2014): A Bükkium morfotektonikája. PhD értekezés, Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék, 142 p.
Püspöki, Z. – Szabó, Sz. – Demeter, G. – Szalai, K. – McIntosh, R.W. – Vincze, L. – Németh, G. (2005): Statistical relationship between lithological characteristics and morphological factors – an example for statistical surface analysis. Geomorphology, 71, pp. 424–436.
Romana, M.R. (1985): New adjustment ratings for application of Bieniawski calssification to slopes. Proceedings of the International Symposium ont he Role of Rock Mechanics in Excavations for Mining and Civil Works, International Society of Rock Mechanics, Zacatecas, pp. 49–53.
Scheidegger A.E. (2001): Surface joint systems, tectonic stresses and geomorphology: a reconciliation of conflicting observations. Geomorphology, 38, pp. 213–219.
Telbisz T. (1999): Computer simulation in geomorphology. Földrajzi Közlemények, 123, pp. 151–162 Twidale C.R. (1971): Structural Landforms. The M.I.T. Press, London